高中物理教科版1第三章磁場_第1頁
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文檔簡介

第一節(jié)磁場磁感線生活中我們常常遇到電現(xiàn)象,與電現(xiàn)象密不可分是磁現(xiàn)象,其實用到電的地方,幾乎都有磁現(xiàn)象相伴.從本章開始我們將在初中所學(xué)知識的基礎(chǔ)上,進一步學(xué)習(xí)有關(guān)磁現(xiàn)象以及電磁聯(lián)系方面的知識.一、幾個基本概念:磁性:物體具有的吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì)的性質(zhì).磁體:具有磁性的物體叫做磁體,生活中常見的磁體為條形磁鐵、小磁針、蹄形磁鐵.磁極:磁體上磁性較強的部分叫磁極.磁極間的相互作用:同名磁極相斥,異名磁極相吸.二、磁場的概念及其性質(zhì)兩個異種電荷靠近時,它們之間有相互作用的吸引力產(chǎn)生.相互間的吸引力是這樣產(chǎn)生的:帶電體在其周圍空間產(chǎn)生電場,電場對處于其中的電荷有電場力的作用;B處于A產(chǎn)生的電場中,該電場給B一個向左的作用力,同時A處于B產(chǎn)生的電場中,該電場給A一個向右的反作用力.電荷間的相互作用力是通過電場來傳遞的.兩個條形磁鐵的異名磁極靠近時,它們之間也有相互作用的吸引力產(chǎn)生,這兩個磁極并沒有直接接觸,它們之間的相互作用力是怎樣產(chǎn)生的呢?將磁體與帶電體進行類比:磁體之間的相互作用力是這樣產(chǎn)生的:A在周圍空間產(chǎn)生磁場,B處于A產(chǎn)生的磁場中,該磁場給B一個向左的作用力;同時B也會在其周圍空間產(chǎn)生磁場,A處于B產(chǎn)生的磁場中,該磁場給A一個向右的反作用力.該現(xiàn)象說明了磁體能在其周圍空間產(chǎn)生磁場;磁場對磁體有力的作用;磁體與磁體之間的相互作用是通過磁場來傳遞的.磁場對其它物體的作用力叫做磁場力.在圖3-1-3(a)中,當(dāng)導(dǎo)線中有電流時,小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn),說明小磁針受到了磁場力作用,該區(qū)域一定存在磁場,該磁場只能由電流產(chǎn)生,即電流對磁體有磁場力作用.根據(jù)牛頓第三定律,小磁針一定對電流有反作用力,即小磁針產(chǎn)生的磁場對電流也有磁場力作用.該實驗叫做奧斯特實驗,它說明了電流也能產(chǎn)生磁場;磁場對電流有磁場力作用;電流與磁體之間的相互作用也是通過磁場來傳遞的.由奧斯特實驗的結(jié)論可以從理論上推出;電流與電流之間也有相互作用的磁場力;電流與電流之間的相互作用也是通過磁場來傳遞的.生活中我們可以看到平行同向電流相互吸引,平行異向電流相互排斥.在圖3-1-3(a)中,讓向右定向移動的正電荷代替電流,小磁針發(fā)生相同的偏轉(zhuǎn),說明了定向移動的電荷也能產(chǎn)生磁場,定向移動的電荷對磁體有磁場力作用.根據(jù)牛頓第三定律,小磁針一定對定向移動的電荷有反作用力,即小磁針產(chǎn)生的磁場對定向移動的電荷也有磁場力作用.該實驗說明了定向移動的電荷也能產(chǎn)生磁場;磁場對定向移動的電荷有磁場力作用;定向移動的電荷與磁體之間的相互作用力也是通過磁場來傳遞的.由此,我們可以總結(jié)出哪些物質(zhì)能產(chǎn)生磁場.1、磁場的產(chǎn)生:磁體或電流或定向移動的電荷在其周圍空間產(chǎn)生的一種(看不見,摸不著的)特殊物質(zhì).其中我們把電流產(chǎn)生磁場的現(xiàn)象叫做電流的磁效應(yīng).2、磁場的性質(zhì):磁場對處于其中的磁體、電流、定向移動的電荷有磁場力作用.3、磁場的作用:磁體、電流、定向移動電荷之間的相互作用力都是通過磁場來傳遞的.可見,磁場是一種非常重要的物質(zhì),我們必須把它認(rèn)識清楚.三、對常見磁場的認(rèn)識在研究電場的時候,由于電場是一種看不見,摸不著的物質(zhì),不可能直接研究,但電場對處于其中的電荷有力的作用,根據(jù)電場對處于其中的電荷有力的作用的特點,在電場中引入試探電荷,根據(jù)試探電荷在電場中的受力情況來間接研究電場.而對于磁場來說,由于磁場對磁體和電流以及定向移動的電荷有磁場力作用,也可以在磁場中引入磁體或電流或定向移動的電荷,根據(jù)它們在磁場中的受力情況來間接研究磁場.研究磁場的方法:引入磁體或電流或定向移動的電荷.如圖3-1-7所示,把很多相同的小磁針放在條形磁鐵的磁場中,在磁場中的不同點,小磁針靜止時N極所指的方向一般并不相同.這個事實說明了小磁針在不同點受到的磁場力的方向一般并不相同,也說明了磁場在不同點的方向一般并不相同,即磁場是有方向性的.物理學(xué)中規(guī)定:磁場方向的規(guī)定:在磁場中的任一點,小磁針北極受力的方向,亦即小磁針靜止時北極所指的方向,就是那一點的磁場方向.在圖3-1-7中,畫出各點的磁場方向,再將小磁針?biāo)诘奈恢糜们€連接起來,發(fā)現(xiàn)曲線各點的切線方向正好是該點的磁場方向,在條形磁鐵的N極和S極附近,曲線的分布更密集,顯示了條形磁鐵的N極和S極附近的磁場更強.這樣的曲線可以形象、簡潔的描述磁場的方向和強弱,我們把這樣的曲線叫做磁感線.磁感線:在磁場中假想出來的一些有方向的曲線,在這些曲線上,每一點的切線方向都在該點的磁場方向上,曲線的疏密表示磁場的強弱.確定磁場方向的方法歸納:小磁針北極受到的磁場力方向(適用于動態(tài)分析)小磁針靜止時北極所指的方向(適用于靜態(tài)分析)磁感線在該點的切線方向用實驗?zāi)M各種磁場磁感線的分布符號系統(tǒng):磁場方向遠離觀察者;磁場方向指向觀察者;電流方向遠離觀察者;電流方向指向觀察者;磁場力方向遠離觀察者;磁場力方向指向觀察者.磁體的磁場:條形磁鐵和蹄形磁鐵磁感線是閉合曲線;磁鐵外部的磁感線由北極指向南極,磁鐵內(nèi)部的磁感線由南極指向北極;兩磁極附近的磁感線更密集,磁場也更強.蹄形磁鐵中間部分的磁感線平行且間距相等.電流的磁場:通電直導(dǎo)線磁場的磁感線分布:通電直導(dǎo)線的電流方向跟它的磁感線環(huán)繞方向之間的關(guān)系可以用安培定則來判定:如教材82頁圖3-1-10(d)右圖所示,用右手握住導(dǎo)線,讓伸直的大拇指所指的方向跟電流的方向一致,彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向.一些以直導(dǎo)線為軸線的同心圓柱面;某一小段通電直導(dǎo)線的磁感線分布為一些以該小段直導(dǎo)線為圓心的同心圓環(huán),這些同心圓環(huán)都在跟直導(dǎo)線垂直的平面上,越靠近通電直導(dǎo)線的地方,磁感線分布越密集,磁場越強.磁場磁感線分布的立體圖和截面圖環(huán)形電流磁場的磁感線分布:環(huán)形導(dǎo)線的中心軸線上:如教材82頁圖3-1-10(d)左圖所示,磁感線與環(huán)形電流所在的平面垂直;可用安培定則來判定:讓右手彎曲的四指所指的方向和環(huán)形電流的方向一致,伸直的大拇指所指的方向就是環(huán)形導(dǎo)線中心軸線上磁感線的方向環(huán)形導(dǎo)線附近:如教材82頁圖3-1-10(b)所示,環(huán)形電流磁場的磁感線為一些圍繞導(dǎo)線的閉合曲線,越靠近環(huán)形導(dǎo)線的地方,磁感線的分布密集.可把環(huán)形導(dǎo)線分成很多小段,每一小段可用判斷直線電流磁場的磁感線分布的方法來判斷其附近的磁感線分布.磁場磁感線分布的立體圖和截面圖通電螺線管磁場的磁感線分布:通電螺線管內(nèi)部的磁感線分布:如教材82頁圖3-1-10(c)所示,通電螺線管內(nèi)部的磁感線均勻分布,其方向可用右手定則判定:用右手握住螺線管,讓彎曲的四指所指的方向跟電流的方向一致,大拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部磁感線的方向.外部的磁感線的分布情況和條形磁鐵磁場的分布情況相同.磁場磁感線分布立體圖和截面圖通電螺旋管可以等效成很多個電流繞行方向一致的通電圓環(huán)串聯(lián).電流的磁場相比于天然磁鐵的磁場的優(yōu)點:電流磁場的強弱和有無容易調(diào)節(jié)和控制.磁場的等效:由圖可知,條形磁鐵,通電圓環(huán),通電螺線管的磁感線分布情況近似,它們的磁場可以相互等價.5、(了解)磁感線的相關(guān)知識磁感線是假想出來的,并不真實存在于磁場中磁感線不相交,不相切.磁感線是封閉曲線磁感線的切線表示磁場方向磁感線的疏密程度定性地反映了磁場的強弱:在同一幅磁感線分布圖中,磁感線越密集的地方磁場越強,磁感線越稀疏的地方,磁場越弱.四、磁現(xiàn)象的電本質(zhì)如教材83頁圖3-1-14所示,原子的每個核外電子都在不停地繞核旋轉(zhuǎn),形成環(huán)形電流,稱為分子電流,產(chǎn)生磁場,該磁場可以等價成小磁針產(chǎn)生的磁場.原子內(nèi)多個電子的分子電流的磁場取向一致時,原子就等價成大一點的小磁體,產(chǎn)生的磁場稱為原子磁場.磁體具有磁性的原因:物體內(nèi)原子磁場的取向較一致時,整體對外顯示出磁性,取向的一致性越好,顯示出的磁性越強.由此總結(jié)出:一切磁場均來源于電荷的運動.磁現(xiàn)象的電本質(zhì):一切磁場均來源于電荷的運動.磁化:教材83頁圖3-1-15第1、2、3幅圖,在外界因素影響下,物體內(nèi)原子磁場的取向更加一致時,顯示出的磁性增強,該過程叫做磁化.實驗室常用通電螺線管產(chǎn)生的磁場磁化鋼胚制作條形磁鐵.退磁:在外界因素影響下,物體內(nèi)原子磁場的取向更加不一致時,顯示出的磁性減弱,該過程叫做退磁.溫度升高,電子無規(guī)則的熱運動加劇,原子磁場的取向變得不一致,磁體磁性減弱.劇烈振動磁體,也可能使得原子磁場的取向變得不一致,使得磁性減弱.所以在做有關(guān)條形磁鐵的實驗時,對條形磁鐵要輕拿輕放,不得對條形磁鐵進行劇烈加溫.無論磁體大小和形狀如何,必定只有N極和S極兩個磁極.一塊磁鐵被摔成兩半后,變成兩塊新磁鐵,每塊各有一個N極和S極.第二節(jié)磁場對通電導(dǎo)線的作用——安培力最簡單、最特殊的磁場:勻強磁場:定義:磁場的強弱和方向都相同的磁場特點:磁感線平行且間距相等;生活中可以近似看著勻強磁場的磁場:條形磁鐵的相互靠近的N極和S極之間的區(qū)域;蹄形磁鐵中間的區(qū)域,通電螺旋管內(nèi)部的磁場(除邊緣部分外).物理學(xué)中,把磁場對通電導(dǎo)線的磁場力叫做安培力.安培力:磁場對通電導(dǎo)線的磁場力.安培力方向遠離觀察者;安培力方向指向觀察者安培力與哪些因素有關(guān)呢?通過猜想并分析,影響安培力的因素有電流I的大小,磁場的強弱,磁場中通電導(dǎo)線的長度L等.應(yīng)該用控制變量法進行探究.我們通過教材85頁3-2-1的實驗來探究.探究影響安培力的因素探究一:磁場強弱不變,處于磁場中的導(dǎo)線長度L不變的情況下,探究安培力F與電流I之間的關(guān)系.電流方向與磁場方向平行時在接通電路前,彈簧測力計的讀數(shù)等于導(dǎo)線框的重力,即,接通電路后,無論如何調(diào)節(jié)滑動變阻器改變電流,彈簧測力計的讀數(shù)始終等于導(dǎo)線框的重力.結(jié)論:電流方向與磁場方向平行時,通電導(dǎo)線不受安培力;電流方向與磁場方向垂直時保持導(dǎo)線框的豎直邊在磁場區(qū)外.在接通電路前,彈簧測力計的讀數(shù)等于導(dǎo)線框的重力,即接通電路后,調(diào)節(jié)滑動變阻器使電流表的讀數(shù)為,記錄此時彈簧測力計的讀數(shù)為,就是導(dǎo)線框受到的安培力.繼續(xù)調(diào)節(jié)滑動變阻器使電流表的讀數(shù)為,,觀察并記錄彈簧測力計相應(yīng)的讀數(shù)為,;分別計算出安培力,,在表格中列出與安培力的對應(yīng)關(guān)系結(jié)論:當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場方向垂直時,在磁場強弱不變,處于磁場中的導(dǎo)線長度L不變的情況下,通電導(dǎo)線所受安培力與電流I成正比.探究二:當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場方向垂直時,在磁場強弱不變,電流I大小不變的情況下,保持導(dǎo)線框的豎直邊在磁場區(qū)外,探究安培力與處于磁場中的導(dǎo)線長度L之間的關(guān)系調(diào)節(jié)滑動變阻器使電流表的讀數(shù)為一個合適的讀數(shù)I,記下此時測力計的讀數(shù)并算出此時的安培力為;緊挨著蹄形磁鐵再并排放上一個相同的蹄形磁鐵(相同極性在同一側(cè)),這就使得處于磁場中的導(dǎo)線長度為原來的2倍,記下此時測力計的讀數(shù)并算出此時的安培力為;使處于磁場中的導(dǎo)線長度為原來的3倍,記下測力計的讀數(shù)并算出相應(yīng)的安培力為.結(jié)論:當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場方向垂直時,在磁場強弱不變,電流I大小不變的情況下,通電導(dǎo)線所受安培力與處于磁場中的導(dǎo)線長度L成正比.探究三:當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場方向垂直時,在電流I大小不變,處于磁場中的導(dǎo)線長度L不變的情況下,保持導(dǎo)線框的豎直邊在磁場區(qū)外,探究安培力與磁場強弱的關(guān)系.用充磁機對蹄形磁鐵進行充磁,重新試驗,磁場越強時,導(dǎo)線框受到的安培力越大結(jié)論:當(dāng)通電導(dǎo)線與磁場方向垂直時,在電流I大小不變,處于磁場中的導(dǎo)線長度L不變的情況下,通電導(dǎo)線所受安培力與磁場強弱正相關(guān).總結(jié):精確的實驗表明,通電導(dǎo)線與磁場方向垂直時,通電導(dǎo)線所受安培力與處于磁場中的導(dǎo)線長度L和電流大小I成正比,即,比列系數(shù)用符號B表示,其大小與導(dǎo)線所在位置的磁場強弱有關(guān),磁場越強,比列系數(shù)B越大.安培力的定性認(rèn)識安培力:磁場對通電導(dǎo)線的磁場力.安培:法國物理學(xué)家(1775~1836)表達式:,比列系數(shù)B是一個與磁場強弱有關(guān)的物理量,磁場越強,B越大.方向:左手定則:伸開左手,使大拇指更其余四個手指垂直,并且都跟手掌在一個平面內(nèi),把手放入磁場中,讓(原磁場的)磁感線穿入手心,并使伸開的四指指向電流的方向,那么,大拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向.舉一些例子以鞏固左手定則:安培力方向的特點:安培力的方向既跟磁場方向垂直,又跟電流方向垂直;也就是說,安培力的方向總是垂直于磁場方向和通電導(dǎo)線所在的平面.左手定則的推論:磁場方向和電流方向以及安培力方向三個方向中,保持一個方向不變,改變第二個方向,則第三個方向必然相反;改變?nèi)齻€方向中的任意兩個,第三個方向不變.安培力是性質(zhì)力.以后對物體做受力分析時,要注意考慮物體是否受到安培力.安培力的等效作用點:導(dǎo)體的中間位置活動:分析平行電流之間安培力結(jié)論:平行同向電流相互吸引,平行反向電流相互排斥.安培力的運用直流電動機的工作原理:如圖3-2-6所示(結(jié)合88頁圖3-2-11、圖3-2-9進行說明)磁電式電流表(結(jié)合88頁圖3-2-10進行說明)工作原理沒有電流流過線圈時,兩根繞向相反的螺旋彈簧使指針停在零點,指針的零點位置可以通過機械調(diào)零旋鈕來調(diào)節(jié).線圈中有電流時,安培力使線圈旋轉(zhuǎn)的效果與螺旋彈簧阻礙線圈旋轉(zhuǎn)的效果抵消,指針指在一個確定位置.工作特點:指針偏角與電流成正比,即指針偏轉(zhuǎn)方向與電流流向之間的關(guān)系:“0”刻度在刻度盤正中間的電流表,沒有正負極之分,電流從那一側(cè)進,指針就往哪一側(cè)偏轉(zhuǎn),如圖所示.“0”刻度在刻度盤最左端的電流表,有正負極之分,電流只能從正極進入,指針只能向右偏轉(zhuǎn).磁電式電流表性能的優(yōu)缺點:優(yōu)點:靈敏度高,可以測出很小的電流;缺點:對過載很敏感,容易被燒毀.

第三節(jié)磁感應(yīng)強度磁通量巨大的電磁鐵能夠吸起成噸的鋼鐵,小的磁鐵只能吸起小鐵釘.這些現(xiàn)象說明了磁場不僅有方向性還有強弱的不同,引入一個什么樣的物理量來定量地描述磁場的強弱呢?電場對其中的電荷有電場力的作用,研究電場強弱的時候,我們從分析電荷在電場中的受力情況著手,找到了定量表示電場強弱的物理量——電場強度.類似地,磁場對處于其中的通電導(dǎo)線有安培力,大小與電流I成正比,而且電流大小容易測量.所以,研究磁場的強弱,我們可以從分析通電導(dǎo)線在磁場中的安培力著手,找出定量描述磁場強弱的物理量.為了研究空間中某一點磁場的強弱,引入的通電直導(dǎo)線應(yīng)該足夠短,為了使通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場不對要研究的磁場產(chǎn)生大的影響,通電直導(dǎo)線中的電流應(yīng)足夠小,滿足這兩個條件的通電直導(dǎo)線叫做試探電流或者電流元.(了解)電流元:長度足夠短,電流足夠小的通電直導(dǎo)線.在89頁圖3-3-1的磁場中,在各點放入電流元,得出安培力F、電流I的大小,電流元的長度L等物理量的具體數(shù)值.對這些數(shù)值分析后發(fā)現(xiàn),在磁場中某一點(如B點),無論怎樣改變電流I和導(dǎo)線長度L,安培力與電流和導(dǎo)線長度乘積的比值是一個定值,與導(dǎo)線長度L、電流I的大小無關(guān);而在磁場中的不同點(A、B、C點),安培力與電流和導(dǎo)線長度乘積的比值不相等,,,說明該比值只由磁場本身確定,比值越大的點,磁場對同一電流元的安培力越大,反映了該點的磁場越強.所以該比值能反映磁場中某點磁場的強弱,描述了磁場在力方面的性質(zhì).在物理學(xué)中,該比值叫做磁感應(yīng)強度,用符號B表示.磁感應(yīng)強度定義:在磁場中垂直于磁場方向的通電直導(dǎo)線,所受的安培力F跟電流I和處于磁場中的導(dǎo)線長度L的乘積IL的比值叫做磁感應(yīng)強度.這個物理量之所以叫做磁感應(yīng)強度,而沒有叫做磁場強度,是由于歷史上“磁場強度”這一物理量更早由H表示了.定義式:物理意義:反映磁場強弱和方向的物理量,表征了磁場在力方面的性質(zhì).決定因素:由磁場本身和研究點的位置決定,與電流元和安培力無關(guān).性質(zhì):矢量大?。嚎梢杂啥x式確定方向:該點的磁場方向(小磁針北極受到磁場力的方向;小磁針靜止時北極所指的方向;磁感線的切線方向.)表示:有向線段表示,線段長度表示大小,箭頭指向表示方向.磁感應(yīng)強度的合成與分解(如同電場強度的合成與分解)方法:平行四邊形定則.空間中某一點的實際磁感應(yīng)強度等于各磁場單獨在該點的磁感應(yīng)強度的矢量和.單位:在國際單位制中,磁感應(yīng)強度的單位是特斯拉,簡稱特,國際符號是T,特斯拉是一個較大的單位.由得1T的定義:通有1A電流的1m長的導(dǎo)線,在與電流垂直的磁場中受到的安培力如果為1N,則該磁場的磁感應(yīng)強度為1T.通過表3-3-1了解一些磁場的磁感應(yīng)強度的大小磁場的簡單分類:勻強磁場:磁感應(yīng)強度B的大小和方向處處相同的磁場.非勻強磁場:磁感應(yīng)強度B的大小或方向并不處處相同的磁場.在非勻強磁場中,當(dāng)通電導(dǎo)線很短時,仍然可以用來定義某點的磁感應(yīng)強度.安培力的定量計算物理量介紹::磁場中通電導(dǎo)線(不一定為直導(dǎo)線)的有效長度,根據(jù)微元法可知其大小為連接磁場中通電導(dǎo)線兩端的線段長度.大小計算:在通電導(dǎo)線與磁場方向垂直的前提下在勻強磁場中,;在非勻強磁場中,僅適用于一段很短的導(dǎo)線,因為導(dǎo)線很短時,它所在區(qū)域各點磁感應(yīng)強度的變化很小,可以近似認(rèn)為磁場是均勻的.在通電導(dǎo)線與磁場方向不垂直且磁場為勻強磁場的前提下分解磁場:,為實際磁感應(yīng)強B在與電流垂直方向上的分量.形式上分解導(dǎo)線長度:,為導(dǎo)線的有效長度在與磁場垂直方向上的分量.安培力大小的范圍當(dāng)為通電導(dǎo)線的有效長度與磁感應(yīng)強度B之間的夾角時:當(dāng)電流與磁場方向平行時,即,安培力為零;當(dāng)電流與磁場的方向垂直時,即,安培力最大;當(dāng)電流與磁場方向斜交時,即,安培力間于零和最大值()之間.安培力方向的特點:安培力垂直于磁感應(yīng)強度和通電導(dǎo)線所在的平面,但磁感應(yīng)強度不一定與通電導(dǎo)線的方向垂直.教材上的例題:通電導(dǎo)體在安培力作用下的運動.Notice:在畫截面圖的時候,選擇的視角要能看到研究對象的全貌.電流元受力分析法:即把整段電流等效為多個電流元,先用左手定則判斷出每個電流元所受安培力方向,進而判斷整段電流所受安培力的合力方向,最后確定運動方向.例題、蹄形磁鐵正上方有一根通有水平向右電流的直導(dǎo)線(不計重力).求導(dǎo)線在安培力作用下的運動情況.解答:從上往下看,一邊逆時針旋轉(zhuǎn),一邊向蹄形磁鐵靠攏特殊位置分析法:把電流或磁體旋轉(zhuǎn)一個特定角度(通常為)到便于分析的特殊位置后再判斷所受培力方向,進而確定運動方向.例題、豎直放置的直導(dǎo)線AB與導(dǎo)電圓環(huán)的平面垂直且隔有一小段距離,直導(dǎo)線固定,圓環(huán)可以自由運動,但通以如圖所示方向的電流時(同時通電),從左向右看,線圈將(C)順時針轉(zhuǎn)動,同時靠近直導(dǎo)線AB順時針轉(zhuǎn)動,同時離開直導(dǎo)線AB逆時針轉(zhuǎn)動,同時靠近直導(dǎo)線AB不動解答:以最外側(cè)和最里側(cè)的電流元為研究對象,分析它們受到的安培力,它們使線圈從左往右看逆時針旋轉(zhuǎn).假設(shè)線圈轉(zhuǎn)過900時,以最左側(cè)和最右側(cè)的電流元為研究對象,分析它們受到的安培力,它們使線圈向左運動.線圈從開始旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)過900的過程中,4個電流元同時受到安培力,故從左往右看,線圈一邊逆時針旋轉(zhuǎn),一邊靠近直導(dǎo)線AB.等效分析法:條形磁鐵、環(huán)形電流、通電螺線管的磁場在一定條件下可以相互等效.N例題:如圖所示,在條形永磁體右邊有一閉合鋁圓環(huán),當(dāng)圓環(huán)通過如圖所示的電流時,受到永磁鐵磁場力方向是?N解答:鋁圓環(huán)有縮小的趨勢,水平向右運動.推論分析法:(1)、兩直線電流相互平行時無轉(zhuǎn)動趨勢,方向相同時相互吸引,方向相反時相互排斥;abcabcd例題、如圖所示,導(dǎo)線ab固定,導(dǎo)線cd與ab垂直且與ab相隔一段距離,cd可以自由移動,試分析cd運動情況.解答:一邊順時針旋轉(zhuǎn),一邊向ab靠攏.牛頓第三定律法:例題:如圖所示,一條形磁鐵放在水平桌面上,在磁鐵右上方固定一根與磁鐵垂直的長直導(dǎo)線,當(dāng)導(dǎo)線中通以由外向內(nèi)的電流時(A)磁鐵受到向左的摩擦力,磁鐵對桌面的壓力減小磁鐵受到向右的摩擦力,且對桌面的壓力減小磁鐵受到向左的摩擦力,且對桌面的壓力增大磁鐵不受摩擦力,對桌面的壓力不變分析與解答:畫出長直導(dǎo)線所在位置的磁感線,由左手定則判斷出磁鐵磁場對長直導(dǎo)線的安培力斜向左下,由牛頓第三定律判斷出長直導(dǎo)線對磁鐵的反作用力斜向右上,磁鐵處于平衡狀態(tài),磁鐵受到桌面施加的水平向左的摩擦力和豎直向上的支持力,根據(jù)牛頓第三定律,磁鐵對桌面的壓力大于重力.磁通量磁感線與磁感應(yīng)強度B之間的定性關(guān)系為:在同一幅磁感線分布圖中,磁感線越密集的地方磁感應(yīng)強度越大,越稀疏的地方磁感應(yīng)強度越小.那么磁感線與磁感應(yīng)強度之間的定量關(guān)系該如何描述呢?為此,物理學(xué)中引入磁通量這一概念物理學(xué)中的平面的特點:具有一定面積;形狀多樣:可以是平面,可以是曲面,可以是單匝或多匝線圈,還可以是電路;具有正反兩側(cè):規(guī)定一側(cè)為正側(cè),另一側(cè)就為反側(cè).磁通量:定義:磁感應(yīng)強度與磁感線垂直穿過的平面的面積的乘積叫做穿過這個面的磁通量,簡稱磁通,用符號Φ表示.物理意義:反映了穿過某個面的磁感線條數(shù)的多少,反映了磁感線與磁感應(yīng)強度的定量關(guān)系.大小計算式:,:磁感應(yīng)強度在垂直平面方向上的分量,:平面面積在垂直磁感應(yīng)強度方向上的分量,:磁感應(yīng)強度與平面之間的夾角,.單位:韋伯(Wb)

1Wb=1T·m2=1V·S決定因素:由磁場本身、平面面積、平面與磁場之間的夾角共同決定.性質(zhì):磁通量是標(biāo)量,沒有方向,但是有正負之分;其正負表明了磁感線是從平面的正側(cè)還是反側(cè)穿入.磁通量Φ的大小范圍:磁場與平面平行時,穿過平面的磁通量為零.磁場與平面垂直時,穿過平面的磁通量最大().磁場與平面斜交時,穿過平面的磁通量間于零與最大值()之間.在形式上,磁通量的方向和磁感線的方向相同.計算磁通量時的注意事項:只有勻強磁場穿過某個平面的磁通量才能用計算式直接計算.是剛好圍住勻強磁場的那部分面積;如圖所示,若閉合回路abcd和ABCD所在平面均與勻強磁場B垂直,面積分別為和,且,但磁場區(qū)域恰好只有ABCD那么大,穿過和的磁感線的條數(shù)相同,所以穿過和的磁通量是相同的,因此,在中的指剛好包含磁場的那部分投影面積.穿過某個線圈的磁通量與線圈匝數(shù)n無關(guān).對磁通量進行加減運算的時候,要把其正負號一并代入運算.兩圓環(huán)A、B同心放置且半徑,將一條形磁鐵置于兩環(huán)圓心處,且與圓環(huán)平面垂直,如圖所示,則穿過A、B兩圓環(huán)的磁通量的大小關(guān)系為:分析:弄清條形磁鐵的磁感線分布情況,磁感線閉合,外部所有的磁感線都會集中到條形磁鐵內(nèi)部,畫出截面圖,根據(jù)磁通量的物理意義和磁通量正負和方向的規(guī)定可以得出正確結(jié)果.解答:如圖,圓環(huán)A和B向外的磁通量相同,但圓環(huán)B向里的磁通量更少,對向外的磁通量的低效作用更弱,故B的磁通量更大.一線圈S水平放置,一根磁感線從線圈左側(cè)向下穿入,從線圈右側(cè)對稱位置向上穿出,則穿過線圈的磁通量為多少.參考答案:0磁通量的變化量定義式:,“”為運算符號勻強磁場豎直向下穿過水平放置的閉合線圈,通過線圈的磁通量為Φ,若讓磁場的方向相反,則該過程中穿過線圈的磁通量的改變量為多少?解答:規(guī)定磁場向下穿過線圈的磁通量為正,則磁場向上穿過線圈的磁通量為負;磁通量的改變量為,所以穿過線圈的磁通量改變了2Φ.如圖所示,有一個垂直紙面向里的勻強磁場,磁感應(yīng)強度B=,磁場有明顯的圓形邊界,圓心為O半徑為1cm,現(xiàn)于紙面內(nèi)先后放入圓形線圈,圓心均在O處,A線圈半徑為1.0cm,10匝;B線圈半徑為2cm,1匝;C線圈半徑為0.5cm,10匝,問:(1)、在B減小為的過程中,A和B中磁通量各改變了多少?(2)、當(dāng)磁場方向轉(zhuǎn)過300角的過程中,C中的磁通量改變多少?分析:磁通量的大小與線圈匝數(shù)無關(guān),線圈A、B框住的磁場面積相同,所以A、B在磁場變化前、后的磁通量都相等.當(dāng)磁場與面積不垂直時,可將磁場向垂直于面積和平行于面積的方向進行分解.如圖所示,開始時矩形線圈與磁場垂直,且一半在勻強磁場中,另一半在勻強磁場外,若要穿過線圈的磁通量發(fā)生持續(xù)變化,下列方法可行的是()將線圈向左平移一小段距離將線圈向上平移以ab為軸轉(zhuǎn)動(小于)以ad為軸轉(zhuǎn)動(小于)如圖所示的線框,面積為S,處在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中,B的方向與線框面成角,當(dāng)線框面沿順時針轉(zhuǎn)過時,磁通量的變化量為多少?磁通量變化的方式:只有磁場發(fā)生變化:只有面積發(fā)生變化:其它原因造成磁通量的變化:磁場對運動電荷的作用——洛侖茲力洛侖茲力觀察與思考:見教材94頁(沒有實驗儀器時的等效處理:如圖所示,讓帶正電的微觀粒子以初速度豎直向下垂直進入水平向里的勻強磁場,發(fā)現(xiàn)粒子的軌跡向右偏轉(zhuǎn),說明粒子不止受重力作用,粒子所在空間除了重力場外只有磁場,所以磁場一定對運動粒子有大致向右的磁場力,物理學(xué)中把磁場對帶電粒子的磁場力叫做洛侖茲力.)定義:磁場對運動電荷的磁場力洛侖茲力的大小及范圍:帶電粒子的速度方向與磁場方向平行時,不受洛侖茲力.理論探究:教材95頁結(jié)論:帶電粒子的速度方向與磁場方向垂直時,所受洛侖茲力最大,,其中為粒子瞬時速度的大小.若帶電粒子的速度方向與磁場斜交,令速度方向與磁場方向的夾角為,則可以將帶電粒子的速度往平行和垂直于磁場的方向進行分解,此時,由于,故:帶電粒子的速度方向與磁場斜交時,所受洛侖茲力的大小間于零和最大值之間.一般情況下,同一粒子受到的重力遠小于洛侖茲力,所以對在磁場中運動的帶電粒子進行受力分析時往往忽略重力.在推導(dǎo)洛倫茲力公式的過程中,通電導(dǎo)線中大量運動電荷受到的洛倫茲力就是整根導(dǎo)線受到的安培力,由此,我們可以得出洛倫茲力與安培力之間的關(guān)系.洛倫茲力與安培力的關(guān)系:通電導(dǎo)線中大量運動電荷受到的洛倫茲力的合力就是安培力.洛侖茲力的方向:左手定則:伸開左手,使大拇指跟其余并攏的四指垂直,并且都跟手掌在一個平面內(nèi),把手放入磁場中,讓(原磁場的)磁感線穿入手心,并使伸直的四指指向正電荷的速度方向(負電荷速度的反方向),大拇指所指的方向就是洛倫茲力的方向.左手定則的適用條件:的情形;洛侖茲力方向的特點:洛侖茲力的方向既跟磁場方向垂直,又跟電荷的速度方向垂直;也就是說,洛侖茲力方向總是垂直于磁感應(yīng)強度和電荷速度方向所決定的平面.但電荷的速度方向與磁場方向卻不一定垂直.左手定則的推論:磁場方向和速度方向以及洛倫茲力方向三個方向中,保持一個方向不變,改變第二個方向,則第三個方向必然相反;改變?nèi)齻€方向中的任意兩個,第三個方向不變.洛倫茲力對能量和運動的影響洛侖茲力不做功洛侖茲力雖然不做功,但它可以影響帶電粒子的軌跡、運動時間、速度方向.如圖,B為垂直于紙面向里的勻強磁場,小球帶有不多的正電荷.讓小球從水平、光滑、絕緣的桌面上的A點以初速度V0向右拋出,并落在水平地面上,歷時t1,水平位移為S1;然后撤去磁場,讓小球從A點以相同的初速度V0向右拋出(高度h較小),歷時t2,水平位移為S2.則:(ABD)A、S1>S2B、t1>t2C、兩次落地速度相同D、兩次落地動能相同分析與解答:令洛侖茲力與豎直方向的夾角為,由題意得不斷增大,由于洛侖茲力不做功,只有重力做正功,速度不斷增大,洛侖茲力f不斷增大.由受力分析可得,洛侖茲力的存在使得小球有一個水平向右的加速度不斷增大的加速分運動,豎直方向的分運動比自由落體運動的加速度小,所以小球在磁場中的運動比自由落體運動的時間更長,水平分位移更大,落地速度的方向不同,由于洛侖茲力不做功,故落地時的動能相同帶正電荷q的小球從水平面上以豎直向上的初速度拋出,在圖甲中上升的最大高度為,在圖乙中上升的最大高度為,在圖丙中上升的最大高度為,則關(guān)于、、的關(guān)系可能正確的是(D)A、B、C、D、分析與解答:丙圖中的小球在豎直方向上只受重力做豎直上拋運動,在水平方向上在電場力作用下做勻加速直線運動,其豎直分運動同圖甲中的小球的運動相同,能夠上升的高度也相同.圖乙中的小球在重力和洛倫茲力作用下向左做曲線運動.到達最高點的瞬間在做圓周運動,重力和洛倫茲力提供向心力,其速度一定不為零,剩余的動能不能繼續(xù)轉(zhuǎn)化為重力勢能,上升的最大高度小于圖甲中小球能達到的最大高度.洛侖茲力與電場力的比較是否受力不同:靜電場對運動電荷、靜止電荷都有電場力的作用,磁場對速度方向不平行于磁場的運動電荷才有洛侖茲力作用,對速度方向平行于磁場的運動電荷和靜止電荷都沒有洛侖茲力作用力是否恒定:勻強電場中的電荷受到電場力是恒定的;但在勻強磁場中,隨著帶電粒子的速度方向的變化,洛侖茲力的方向一定是變化的.力的方向是否變化:電場力的方向與電場方向共線,正電荷的電場力方向就是電場的方向;但運動電荷的洛侖茲力的方向永遠與磁場方向垂直;力是否做功:電場力可能對電荷做功;但洛侖茲力對運動電荷永不做功.(不計重力的)帶電粒子在勻強磁場中的運動帶電粒子在勻強磁場中的軌跡當(dāng)帶電粒子的速度方向與磁場方向平行時,帶電粒子的運動軌跡是直線(實驗現(xiàn)象);當(dāng)帶電粒子的速度方向與磁場方向垂直時,帶電粒子的運動軌跡是圓(實驗現(xiàn)象);帶電粒子的運動是勻速圓周運動還是變速圓周運動呢?我們從理論上進行探究.如圖所示,以電子為例,當(dāng)電子以速度v垂直進入勻強磁場時,受到洛侖茲力作用,由于電子所受重力遠小于它受到的洛侖茲力,故忽略電子所受重力.(eq\o\ac(○,1))電子的速度v和它受到的洛倫茲力的方向都在跟勻強磁場垂直的平面內(nèi),沒有任何力使電子離開速度v和洛侖茲力所決定的平面(黑板平面),所以,電子只能在這個平面內(nèi)運動.由于洛侖茲力的方向總是跟電子的運動方向垂直,對電子不做功,根據(jù)動能定理,電子運動的速率不變,所受洛侖茲力(F=qvB)大小也不變,洛倫茲力只改變電子的運動方向.(eq\o\ac(○,2))即電子只受一個大小不變、方向總與電子運動方向垂直的力.基于以上兩點,電子在勻強磁場和速度決定的平面內(nèi)做勻速圓周運動,向心力提供洛侖茲力.當(dāng)帶電粒子的速度方向與磁場方向斜交時,帶電粒子的運動軌跡是螺旋線.(不計重力的)帶電粒子垂直進入勻強磁場的運動形式:勻速圓周運動,洛侖茲力提供向心力.(不計重力的)帶電粒子垂直進入勻強磁場做勻速圓周運動的運動規(guī)律:圓心位置O的確定由于洛侖茲力提供帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的向心力,故圓心一定在洛侖茲力的交點上.原則:圓心在洛侖茲力的交點上.方法:已知軌跡上任意兩點的位置及其速度方向.則該兩點速度方向垂線的交點為圓心.已知軌跡上任意一點的位置及其速度方向和軌跡上的另一點的位置.則已知速度方向垂線和已知兩點連線的中垂線的交點為圓心.已知軌跡上任意一點的位置及其速度方向和軌跡上另一不確定位置的速度方向.則兩個速度方向夾角的補角的角平分線和已知速度方向的垂線的交點即為圓心.半徑R大小帶電粒子的質(zhì)量為m,電荷量為q,速率為v,垂直進入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中做勻速圓周運動,洛侖茲力剛好等于需要的向心力,由得,由此可得:與粒子的比荷成反比,R與v成正比,與磁感應(yīng)強度B成反比(當(dāng)粒子運動速度v突然增大時,粒子需要的向心力大于此時的洛侖茲力,粒子要做離心運動,其運動半徑R增大,任然出現(xiàn)增大后的洛倫茲力等于增大后的需要的向心力而做半徑R更大、速度v更大的勻速圓周運動.所以速度v增大,半徑R也增大;當(dāng)磁場B突然變強時,運動電荷受到的洛侖茲力增大,洛侖茲力大于需要的向心力,粒子做靠心運動,其運動半徑R減小,需要的向心力增大,任然出現(xiàn)增大后的洛倫茲力等于增大后的需要的向心力而做半徑更小、速度大小不變的勻速圓周運動.所以磁感應(yīng)強度B增大,半徑R減?。?運動時間t的確定1、周期T:由和圓周運動周期的定義式可得:,由此可得:T與粒子的比荷()成反比,與磁感應(yīng)強度B成反比,與速度v、半徑R無關(guān).因為在粒子本身()和磁感應(yīng)強度B不變的情況下,帶電粒子運動速度v變大時,需要的向心力大于洛侖茲力,粒子做離心運動,根據(jù)前面的分析可得,粒子任然做半徑R更大,周長2R更長,速度v更大的勻速圓周運動,根據(jù)得,在v和R都增大的情況下,周期T保持不變,所以周期T與速度v、半徑R無關(guān).2、運動時間t的確定:(1)三個角度及其關(guān)系:A、圓心角:圓弧兩端與圓心連線的夾角B、偏向角:初速度方向到末速度方向的夾角C、弦切角:圓弧對應(yīng)的弦與初速度方向的夾角D、三個角度之間的關(guān)系:偏向角等于對應(yīng)的圓心角,等于對應(yīng)弦切角的2倍.(2)、運動時間:A、(為圓弧軌跡對應(yīng)的以角度制表示的圓心角)或(為圓弧軌跡對應(yīng)的以弧度制表示的圓心角)B、,:弧長,:線速度帶電粒子在勻強電場和勻強磁場中的運動形式的比較勻強電場勻強磁場運動形式的比較勻變速直線運動勻速直線運動勻變速曲線運動勻速圓周運動螺旋線運動地磁場:教材84頁圖3-1-16地磁場:地球本身在附近的空間產(chǎn)生的磁場.地磁場的分布規(guī)律:地磁場的分布大致上就像一個條形磁鐵外部的磁場.地磁的北極在地理的南極附近,地磁的南極在地理的北極附近,地磁南、北極的連線偏離地軸約為磁傾角:地磁場與對應(yīng)點水平面所成的夾角,不同位置的磁傾角一般不同.地磁場B的水平分量總是從南到北,而豎直分量則南北相反,在南半球豎直向上,在北半球豎直向下.在赤道平面內(nèi),距離地球表面相等的各點,磁感應(yīng)強度相等,且方向為從南到北的水平方向.地磁場是非常弱的磁場.地磁場能阻擋宇宙射線,使地球上的生物免遭高能宇宙射線的輻射;通信,航天,以及探礦都有重要意義.例1、1820年,丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)(電流能夠產(chǎn)生磁場),為了較明顯地展示電流的磁效應(yīng),可以在小磁針的正上方放置一根通電直導(dǎo)線,那么導(dǎo)線的方向應(yīng)該為南北走向,還是東西走向?

第五節(jié)洛侖茲力的運用(不計重力的)帶電粒子在有界勻強磁場區(qū)域內(nèi)的偏轉(zhuǎn)如果磁場的邊界是直線或者圓弧,則粒子以跟磁場邊界成多大的角度射入磁場,也必將以跟磁場邊界成多大的角度離開磁場.其中,速度與圓弧的夾角指的是速度與圓弧在該點切線方向之間的夾角.特殊情形:沿著圓形勻強磁場區(qū)域的半徑入射,也必將沿著半徑出射.教材99頁圖3-5-1,令圓形勻強磁場的半徑為r,質(zhì)量為m,電量為q(不計重力)的帶電粒子以速度垂直磁場方向進入磁場做勻速圓周運動的軌道半徑為R,令偏向角為,則有,可見,對于一定的帶電粒子(m、q一定),可以通過調(diào)節(jié)B和的大小來控制粒子的偏向角.典型的極值問題:同種帶電粒子以相同的速率從同一點沿不同方向垂直射入圓形區(qū)域的勻強磁場時,入射點與出射點對應(yīng)弦長為圓形磁場區(qū)域的直徑時,軌跡的弧長最長,偏向角(圓心角)最大(,其中r為圓形磁場區(qū)域的半徑,R為帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動的軌道半徑),運動時間最長.同一種帶電粒子以不同速度垂直射入勻強磁場中,其運動軌跡如圖所示,則由圖可知(1)帶電粒子進入磁場的速度值有幾個?(2)這些速度的大小關(guān)系為

(3)三束粒子從O點出發(fā)分別到達1、2、3點所用時間的大小關(guān)系為?

(第三種方法確定圓心,較難)一勻強磁場,磁場方向垂直于xOy平面,在xOy平面上磁場分布在以O(shè)為中心的一個圓形區(qū)域內(nèi).一個質(zhì)量為m、電荷量為q的帶電粒子,由原點O開始運動.初速度為v.方向沿x軸正方向,后來粒子經(jīng)過y軸上的P點,此時速度方向與y軸的夾角為30°,P到O的距離為L,如圖所示.不計重力影響,求磁場的磁感應(yīng)強度B的大小和xOy平面上磁場區(qū)域的半徑R.分析與解答:此題中知O點速度方向,圓心必定在過O點與x軸垂直的y軸上,P的速度方向即為出磁場時的速度方向,反向延長P點速度方向,與x軸交于Q點,作∠OQP的角平分線與y軸交點C就是圓心位置,得軌跡如圖,由得,由幾何關(guān)系得L=3r.由以上兩式得,圖中OA即(圓形磁場區(qū)域的)半徑為R,由幾何關(guān)系得易錯分析:在磁場中受洛倫茲力做圓周運動,,得,由幾何關(guān)系可知圓心角為120°.得,得,運動軌跡畫不出來,確定圓心出錯.磁偏轉(zhuǎn)與電偏轉(zhuǎn)的比較:對速度的影響:方向:磁偏轉(zhuǎn)會改變速度的方向,偏向角的范圍,電偏轉(zhuǎn)也會改變速度的方向,偏向角的范圍。大?。捍牌D(zhuǎn)不改變速度的大??;電偏轉(zhuǎn)要改變速度的大小。軌跡的形狀:磁偏轉(zhuǎn)的軌跡為圓弧,電偏轉(zhuǎn)的軌跡為拋物線.(不計重力的)帶電粒子在復(fù)合場中的運動復(fù)合場:什么叫復(fù)合場:重力場、電場、磁場三種場中至少存在兩種的情形.各種場力的特點:重力:任何物體在地球表面附近都要受到重力,其大小為,其方向總是豎直向下,與之相關(guān)的功能關(guān)系為.電場力:帶電粒子在電場中受到的作用力,其大小為,其方向總是與電場方向相同或相反,與之相關(guān)的功能關(guān)系為.磁場力:安培力:通電導(dǎo)線在與磁場方向不平行時受到的作用力,其大小為,其方向總是垂直于磁場與通電導(dǎo)線所決定的平面.洛倫茲力:運動電荷的速度方向與磁場方向不平行時受到的作用力,其大小為,其方向總是垂直于磁場與電荷運動方向所決定的平面,洛倫茲力本身永遠不做功幾中典型情形速度選擇器(不講)速度選擇器的定義:利用相互正交的勻強磁場和勻強電場對速度滿足一定條件的帶電粒子進行篩選的儀器.速度選擇器的結(jié)構(gòu):在兩平行的金屬板間有如圖所示的互相正交的勻強電場和勻強磁場,在兩金屬板的左右兩側(cè)安裝兩塊中間開有小孔的檔板.速度選擇器的工作原理:讓帶電粒子從左側(cè)擋板小孔射入,經(jīng)過復(fù)合場區(qū)域時,帶正電的粒子受到向下的電場力F和向上的洛侖茲力f,要讓粒子的軌跡不發(fā)生偏轉(zhuǎn),能水平地從第二塊擋板小孔射出,必須滿足,即無論粒子帶電量q為多少,只要速度滿足,粒子就能被速度選擇器選出。同理,如果粒子帶負電,電場力F向上,洛侖茲力f向下,無論粒子帶電量q為多少,只要速度滿足,必然滿足,粒子也能被速度選擇器選出.由此可知,這個速度與粒子電荷量q的多少、電性正負無關(guān),只由復(fù)合場本身確定,改變勻強電場或勻強磁場的大小,就可以選出不同速度的帶電粒子,這樣的裝置叫做速度選擇器.速度選擇器工作的特點:以下四幅圖中,粒子的速度都滿足,但從不同方向進入復(fù)合場,哪些圖中的粒子能被速度選擇器選擇出來.要保證帶電粒子能被速度選擇器選擇出來:速度選擇器中的磁場方向,電場方向,粒子進入的方向必須滿足一定的配對關(guān)系.三個方向中保持一個方向不變而使第二個方向反向,則第三個方向一定反向.若同時使三個方向中的任意兩個反向,則第三個方向不變.速度選擇器只能對粒子的速度矢量做出選擇,不能對粒子的正負、電量多少做出選擇.例子:如圖所示,帶正電的粒子從左側(cè)垂直進入速度選擇器,存在,粒子將向上側(cè)還是下側(cè)偏轉(zhuǎn)?要使該粒子被選出,下列措施可行的是()A.上側(cè),使磁場減弱;B.上側(cè),使磁場增強;C.下側(cè),使電場減弱;B.下側(cè),使電場增強;質(zhì)譜儀引入:你們是怎么知道氫元素具有氕、氘、氚三種同位素而碳元素只有碳12和碳14兩種同位素的?電子的質(zhì)量是如何得來的?質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu):1)、粒子源;2)、靜電加速極;3)、速度選擇器;4)、偏轉(zhuǎn)磁場;5)、照相底片;6)、真空環(huán)境.質(zhì)譜儀的工作原理和作用:圖為一種常用的質(zhì)譜儀的示意圖,由粒子源(O)、加速電場(U)、速度選擇器(E、B1)和偏轉(zhuǎn)磁場(B2),真空室等組成.同位素比荷和質(zhì)量的測定粒子通過加速電場的過程,忽略粒子的初速度,根據(jù)功能關(guān)系有:,調(diào)節(jié)加速電壓,使粒子通過加速電場后的速度等于速度選擇器所能選擇出的速度,若測出粒子在偏轉(zhuǎn)磁場中做勻速圓周運動的直徑d,則有:所以,同位素的比荷和質(zhì)量分別為:.對應(yīng)的加速電壓U也可以求出:,同位素的種數(shù)和含量之比的確定如果離子源射出同一同位素的質(zhì)量m不同也就是比荷不同的多種粒子,讓加速電壓從零開始緩慢增大,當(dāng)電壓為時,使得比荷為的粒子通過加速電場后的速度等于速度選擇器所能選擇出的速度,測出粒子在偏轉(zhuǎn)磁場中的軌跡直徑為,由得;當(dāng)電壓為時,使得比荷為的粒子通過加速電場后的速度等于速度選擇器所能選擇出的速度,測出粒子在偏轉(zhuǎn)磁場中的軌跡直徑為,則;當(dāng)電壓為時,使得比荷為的粒子通過加速電場后的速度等于速度選擇器所能選擇出的速度,測出粒子在偏轉(zhuǎn)磁場中的軌跡直徑為,則,繼續(xù)增大電壓,直到照相底片上不再有粒子入射為止.每一種情形都可以概括為,當(dāng)加速電壓為時,,.即不同質(zhì)量m也就是不同比荷的同位素粒子,先后打在照相底片上的位置不同,存在的關(guān)系,所以,照相底片上譜線條數(shù)的多少反映了同位素粒子的種類,照相底片上不同譜線亮度的差異反映了不同同位素粒子的含量之比.質(zhì)譜儀的作用總結(jié):測量已知電量q的粒子的質(zhì)量測量未知粒子的比荷分析元素的同位素種類和含量.電磁流量計:如圖所示,一截面為圓形(也可以是其它形狀)的導(dǎo)管的直徑為d,用非磁性材料制成,勻強磁場B的方向垂直平面向里,其中有可以導(dǎo)電的液體在管內(nèi)流動,導(dǎo)電液體中的自由電荷(正、負離子)在洛倫茲力作用下(正離子向上,負離子向下)發(fā)生偏轉(zhuǎn),使a、b兩側(cè)出現(xiàn)電勢差并逐漸增大.當(dāng)自由電荷受到的電場力與洛倫茲力平衡時,離子不再偏轉(zhuǎn),做勻速直線運動,a、b間的電勢差保持穩(wěn)定不再增加.由得:,其中可由電壓表測量出,可由上式測量出液體流過電磁流量計的速度.流量:單位時間內(nèi)通過某一截面S的體積。當(dāng)電磁流量計的橫截面為直徑為d的圓時:追問:為什么制作電磁流量計的材料一定要是非磁性材料呢?解答:如果材料為磁性材料,空間內(nèi)的實際磁場將大于施加的磁場,使得流量的測量值小于真實值.霍爾效應(yīng):霍爾現(xiàn)象:如圖所示,厚度為h、寬度為d的單載流子(正電荷或者負電荷,金屬導(dǎo)體中的載流子為自由電子)長方體導(dǎo)體放在垂直外側(cè)面向里的勻強磁場B中.當(dāng)電流I通過導(dǎo)體時,在導(dǎo)體板的上側(cè)面A和下側(cè)面A′之間會產(chǎn)生電勢差U,這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng).實驗表明,當(dāng)磁場不太強時,U、I和B的關(guān)系為:,式中的比例系數(shù)K稱為霍爾系數(shù).霍爾效應(yīng)原理假設(shè)導(dǎo)體板中的電流是由自由電子做定向移動形成的.設(shè)電子定向移動的平均速度為v,單位體積內(nèi)的自由電子數(shù)為n,則電流I=neSv=nehdv.(向左)定向移動的電子受洛倫茲力作用向?qū)w板的一側(cè)(上面)偏轉(zhuǎn),在另一側(cè)因缺少電子感應(yīng)出正電荷,形成橫向電場,當(dāng)自由電子受到的電場力與洛倫茲力達到平衡時,導(dǎo)體板兩側(cè)(上下)之間就形成穩(wěn)定的電勢差.由得,又因為I=nedhv,消掉v可得:,其中是只與材料有關(guān)的常數(shù),令為,則.霍爾效應(yīng)的應(yīng)用一方面用于測量某處的磁感應(yīng)強度B;另一方面,霍爾效應(yīng)傳感器被廣泛應(yīng)用于各種機電、電子設(shè)備中.一種半導(dǎo)體材料稱為“赫爾材料”,用它制成的元件稱為“赫爾元件”,這種材料由可定向移動的電荷稱為“載流子”,每個載流子的電荷量大小為1元電荷,即,赫爾元件在自動檢測、控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,如錄像機中用來測量錄像磁鼓的轉(zhuǎn)速,電梯中用來檢測電梯門是否關(guān)閉以自動控制升降機的電源的通斷等.在一次實驗中,一塊赫爾材料制成的薄片寬ab=,長bc=,厚h=,水平放置在豎直向上的磁感應(yīng)強度B=的勻強磁場中,bc方向通有A的電流,如圖所示,由于磁場的作用,穩(wěn)定后,在沿寬度方向上產(chǎn)生的橫向電壓.(1)、假定載流子是電子,a、b兩端中哪端電勢較高?(2)、薄板中形成電流I的載流子定向運動的速率多大?分析與解答:(1)、電子往a側(cè)偏轉(zhuǎn),故b端電勢較高;(2)、由得,磁流體發(fā)電機工作原理:磁流體發(fā)電機由燃燒室O、發(fā)電通道、外電路組成。在2500K以上的高溫下,燃料與氧化劑在燃燒室混合、燃燒后,電離為導(dǎo)電的正負離子(即等離子體),并以每秒幾百米的速度噴入發(fā)電通道.在洛侖茲力的作用下,正、負離子分別向上、下極板偏轉(zhuǎn),兩極板因積聚正、負電荷而產(chǎn)生電勢差,這時,離子同時受到方向相反的洛侖茲力與電場力的作用.當(dāng),離子繼續(xù)偏轉(zhuǎn),兩極板間電勢差隨之增大;保持外電路斷開,當(dāng)時,離子勻速穿過發(fā)電通道,兩極板間電勢差達到最大值,即為電源電動勢.外電路接通后,積聚在上極板的正電荷通過外電路與下極板上的負電荷中和,兩極板上的電荷量都減少,極板間的場強減弱,從燃燒室進入發(fā)電通道的正、負離子受到的洛倫茲力大于電場力,正、負離子全部偏轉(zhuǎn)到上、下極板上,不再勻速通過發(fā)電通道,為外電路提供持續(xù)穩(wěn)定的電流,此時兩極板間的電壓為電源的路端電壓,比電動勢更小。如上圖所示,假設(shè)板間距離為d,通道的橫截面積為S,通道內(nèi)的磁感應(yīng)強度為B,正、負離子電量為,射入速度為v,外接電阻R,上下極板間的等效電阻為r.試問:圖中哪個板是正極發(fā)電機的電動勢是多少?該發(fā)電機的總功率為多少?該發(fā)電機的輸出功率為多少?為使等離子體以恒定速度v通過復(fù)合區(qū)域,必須使通道兩端保持一定的壓強差,這個壓強差為多少?設(shè)噴入的離子流每有n個負電荷,離子流截面積為S,設(shè)噴入的離子全部能夠到達上下極板,則輸入給發(fā)電機的功率是多少?解答:離子進入磁場區(qū)域后,由左手定則可得正離子向上極板運動,上極板是正極外電路斷開時,進入磁場區(qū)域的離子受到的洛侖茲力F和電場力相等時,上下極板間的電勢差等于電動勢.,.外電路接通后,正離子向上極板運動,負離子向下極板運動,在極板間形成了由下到的電流,該電流在磁場中受到向左的安培力,阻礙離子的運動.讓離子能夠勻速通過極板間的區(qū)域,必須在通道兩端保持一定的壓強差,進而產(chǎn)生一個壓力差,克服電流受到的安培力.所以,;,另一種解法:由于離子作勻速運動,電功率就應(yīng)該等于通道兩端的壓力差的功率,所以,發(fā)電機的功率為電路提供的總功率,即,其中,由于噴入的離子全部能夠到達上下極板,所以,單位時間內(nèi)到下極板的電荷數(shù)為,電量為,即回路中電流,.回旋加速器:在現(xiàn)代物理學(xué)中,人們要用能量很高的帶電粒子去轟擊各種原子核,觀察被轟擊的原子核的變化情況.怎樣才能在實驗室大量產(chǎn)生高能量的帶電粒子呢?要使粒子的能量增大,就應(yīng)使粒子的速度增加,這就要用一種新的設(shè)備——加速器.直線加速器我們知道電場可以對帶電粒子加速,如果加速電壓為U,帶電粒子電量為q.帶電粒子從靜止可加速到能量.由于裝置的耐壓程度有一個限制,電壓不可能太高,所以一次加速后粒子獲得的能量較小,如何獲得較大的能量呢?(讓學(xué)生充分討論.)可采取多級加速的辦法,經(jīng)過幾次加速后粒子能夠獲得足夠大的能量.在多級加速的過程中,為了避免相鄰兩極之間的影響,兩極之間要有較大的距離,所以采取多級加速的直線加速器占地面積很大,能否既讓帶電粒子多次加速,獲得較高能量,又盡可能減少占地面積呢?(讓學(xué)生展開想象)結(jié)構(gòu)圖回旋加速器結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu):雙D型盒、勵磁線圈(產(chǎn)生勻強磁場)、高頻交流電源、真空裝置加速原理放在處的粒子源發(fā)出一個帶正電的粒子,它被電場第一次加速后以速率垂直進入勻強磁場,在磁場中做勻速圓周運動.經(jīng)過半個周期,當(dāng)它沿著半圓弧到達時,在處造成一個向上的電場,使這個帶電粒子在處受到一次電場的加速,速率由增加到,然后粒子以速率在磁場中做勻速圓周運動.(我們知道,粒子的軌道半徑跟它的速率成正比,因而粒子將沿著半徑增大了的圓周運動;粒子做勻速圓周運動的周期跟粒子速度和半徑無關(guān),所以粒子的周期不變.)又經(jīng)過半個周期,當(dāng)它沿著半圓弧到達時,在處造成一個向下的電場,使粒子又一次受到電場的加速,速率增大到.如此繼續(xù)下去,每當(dāng)粒子運動到、等處時都使它受到向上電場的加速,每當(dāng)粒子運動到、等處時都使它受到向下電場的加速,粒子將沿著圖示的螺旋線回旋下去,速率將一步一步地增大.粒子的運動形式:螺旋線運動(包括間隔的勻速圓周運動和間隔的勻加速直線運動)回旋加速器加速的條件:粒子的回旋周期(粒子在磁場中做勻速圓周運動的周期和相鄰兩次被加速的時間之和).由于粒子在D型盒的縫隙d中被加速的時間越來越短,所以粒子的回旋周期是逐漸減小的,最終趨于粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的周期.兩D型盒間的縫隙中也存在著勻強磁場,粒子在縫隙中也要發(fā)生偏轉(zhuǎn),為了使粒子盡可能垂直地進入D型盒,要求D型盒的縫隙d越窄越好;從理論上講,要使粒子能被持續(xù)地加速,應(yīng)使高頻電源的周期等于粒子的回旋周期.但是,一方面,從前面的分析得到,粒子的回旋周期是逐漸減小的,最終趨于粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的周期;另一方面,高頻電源的周期往往是一個定值,很難做到逐漸減小,最終趨于一個定值.如何才能使粒子的回旋周期盡可能地與高頻電源的周期相同呢?只要使兩D型盒間的縫隙d盡可能地窄,粒子在縫隙d間的加速時間盡可能地短以至于可以忽略不計,則粒子的回旋周期就趨于粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的周期,這樣高頻電源的周期就能很快地趨于粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的周期,為一個定值,這

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