广东省鹤山市高中物理 第三章 磁场复习课件 新人教版选修31.ppt

磁场复习 概述 本章共有四个概念 两个公式 两个定则 四个概念 磁场 磁感线 磁感强度 匀强磁场两个公式 安培力f bil il b 洛伦兹力f qvb v b 两个定则 安培定则 判断电流的磁场方向左手定则 判断磁场力的方向 注 能力上多了 有空间想象能力 的要求 产生 安培定则 作用 左手定则 知识结构 永磁体 磁场 磁感应强度b 磁极之间 同名斥 运动电荷受洛仑滋力作用 带电粒子在匀强磁场中的圆运动 带电质点在复合场中的运动 电流 运动电荷 通电直导线受安培力作用 通电矩形线圈受安培力矩作用 一 磁场 磁感应强度 1 磁场 永磁体周围有磁场 电流周围有磁场 奥斯特实验 分子电流假说 物质微粒内部存在着环形分子电流 磁现象的电本质 磁体的磁场和电流的磁场都是由电荷的运动产生的 在变化的电场周围空间产生磁场 麦克斯韦 2 磁场的基本性质磁场对放入其中的磁极和电流有磁场力的作用 3 磁感应强度 定义 定义式 适用条件 l很小 检验电流元 且l b 磁感应强度是矢量 单位是特斯拉 符号1t 1n a m 方向 规定为小磁针在该点静止时n极的指向4 磁感线 用来形象地描述磁场中各点的磁场方向和强弱的曲线 磁感线上每一点的切线方向就是该点的磁场方向 也就是在该点小磁针静止时n极的指向 磁感线的疏密表示磁场的强弱 磁感线都是闭合曲线 2 要熟记常见的几种磁场的磁感线 3 安培定则 右手螺旋定则 对直导线 四指指磁感线环绕方向 对环行电流 大拇指指中心轴线上的磁感线方向 对长直螺线管大拇指指螺线管内部的磁感线方向 4 地磁场 地球的磁场与条形磁体的磁场相似 主要特点是 地磁场b的水平分量 bx 总是从地球南极指向北极 而竖直分量 by 则南北相反 在南半球垂直地面向上 在北半球垂直地面向下 在赤道表面上 距离地球表面相等的各点磁感应强度相等 且水平向北 如图所示 a b是直线电流的磁场 c d是环形电流的磁场 e f是螺线管电流的磁场 试在各图中补画出电流方向或磁感线方向 下列说法正确的是 a 电荷在某处不受电场力作用 则该处电场强度为零 b 一小段通电导线在某处不受磁场力作用 则该处磁感强度一定为零 c 表征电场中某点的强度 是把一个检验电荷放到该点时受到的电场力与检验电荷本身电量的比值 d 表征磁场中某点强弱 是把一小段通电导线放在该点时受到的磁场力与该小段导线的长度和电流的乘积的比值 电场和磁场性质不同 磁场施力有 选择性 有两条垂直交叉但不接触的导线 通以大小相等的电流 方向如图所示 问哪些区域中某些点的磁感强度b可能为零 a 仅在象限 b 仅在象限 c 在象限 d 在象限 e 在象限 e 例在同一平面有四根彼此绝缘的通电直导线 如图所示 四导线中电流i1 i3 i2 i4 要使o点磁场增强 则应切断哪一根导线中的电流 a 切断i1b 切断i2c 切断i3d 切断i4 d 1 安培力的大小 f bil b il 说明 1 l是导线的有效长度 2 b一定是匀强磁场 一定是导线所在处的磁感应强度值 2 安培力的方向 左手定则注意 f一定垂直i b i b可以垂直可以不垂直 二 磁场对电流的作用 3 安培力矩 矩形线圈匝数为n 边长为l和l通有恒定电流i 线圈平面与磁场成a角安培力矩 当a 0 即线圈平面 磁感线时 力矩最大当a 90 即线圈平面 磁感线时 力矩最小 中性面 磁力矩应用 磁电式电表原理 如图所示 两平行光滑导轨相距为20cm 金属棒mn的质量为10g 电阻r 8w 匀强磁场磁感强度b方向竖直向下 大小为0 8t 电源电动势为10v 内阻r 1w 当电键s闭合时 mn处于平衡 求 变阻器r1的取值为多少 设q 45 解题规范 画侧视图 受力图列出力学方程和电学方程求解 解释答案 发散 若有摩擦 使金属棒静止 r1的取值为多少 如图 水平放置的光滑金属导轨m n 平行地置于匀强磁场中 间距为d 磁场的磁感应强度大小为b 方向与导轨平面夹角为 金属棒a b的质量为m 放在导轨上且与导轨垂直 电源电动势为e 定值电阻为r 其余电阻不计 则当电键k闭合时 棒a b受到的安培力的大小为多少 方向怎样 棒的加速度大小为多少 例如图所示 光滑导轨与水平面成 角 导轨宽l 匀强磁场磁感应强度为b 金属杆长也为l 质量为m 水平放在导轨上 当回路总电流为i1时 金属杆正好能静止 求 b至少多大 这时b的方向如何 若保持b的大小不变而将b的方向改为竖直向上 应把回路总电流i2调到多大才能使金属杆保持静止 答案 b应垂直于导轨平面向上 b mgsin i1l i2 i1 cos 例 如图所示 长度为l 质量为m的金属杆 用两根长度均为h的金属轻杆接在水平轴oo 上 构成框架 放入匀强磁场中 磁感强度为b 方向竖直向上 当电键s闭合一个短时间t再断开 短时间t内电流脉冲i0通过框架 试确定框架偏离竖直平面的最大偏角 t时间内框架偏移很小 可忽略不计 如图 一金属直杆mn两端接有导线 悬挂于线圈上方 mn与线圈轴线均处于竖直平面 为使mn垂直纸面向外运动 可以a 将a c端接在电源正极 b d端接在电源负极b 将b d端接在电源正极 a c端接在电源负极c 将a d端接在电源正极 b c端接在电源负极d 将a c端接在交流电源的一极 b d端接在交流电源的另一极 自感不计 abd 2000上海 如图 两根平行放置的长直导线a和b载有大小相同方向相反的电流 a受到的磁场力大小为f1 当加入一与导线所在平面垂直的匀强磁场后 a受到的磁场力大小变为f2 则此时b受到的磁场力大小变为 a f2b f1 f2c f1 f2d 2f1 f2 a 电流间的作用力也遵守牛三律 判定安培力作用下物体运动方向 常用方法 电流元受力分析法特殊值分析法等效分析法推论分析法 专题三习题 如图所示 原来静止的圆形线圈通以逆时针方向的电流i 在其直径ab上靠近b点放一根垂直于线圈平面的固定不动的长直导线i 电流方向如图中所示 在磁场作用下圆线圈将 a 向左平动 b 向右平动 c 以直径ab为轴转动 并向左运动 d 静止不动 c 一根通有电流为i1的长直导线oo 竖直放置 另有一矩形导线框abcd的平面放在竖直平面内 通有如图所示的电流i2 oo 到abcd平面的距离为4r 边长ab cd 5r ad bc 6r 且ab和cd两边所在处的磁感强度大小均为b 由i1产生 求ab和cd所受安培力的大小 并说明方向 需要画俯视图 fab b 5ri2 5bri2 方向沿oa向外背离oo fcd b 5ri2 5bri2 方向沿do向里指向oo 带电粒子在匀强磁场中的运动 一 洛仑兹力 运动电荷在磁场中受到的磁场力叫洛仑兹力 它是安培力的微观表现 1 洛仑兹力大小 推导 得当v b时 f qvbf v b三者垂直当v b时 f 0v与b成 角 f qvbsin 2 洛仑兹力方向 左手定则注意 四指必须指电流方向 即正电荷定向移动的方向 负电荷为定向移动方向的反方向 f一定垂直v b v b可以垂直可以不垂直 3 洛伦兹力f特点 a 洛伦兹力总是垂直于v与b组成的平面 b 洛伦兹力永远不做功 即f不改变动能ek 只改变动量 方向 4 应用 带电粒子在匀强磁场中的圆运动条件 牛二律 得半径 特征方程 区别两种场力 电场力 f qe磁场力 f qvb 电场力与电荷速度v无关 而磁场只对运动电荷施力 在匀强磁场中 f与v的方向无关 是恒力 且做功 改变动能 使电能和动能相互转化 在匀强磁场中 f与v有关 是变力 总不做功 不会造成能量转化 例1 如图所示 螺线管两端加上交流电压 沿着螺线管轴线方向有一电子射入 则该电子在螺线管内将做 a 加速直线运动b 匀速直线运动c 匀速圆周运动d 简谐运动 b 例2 电视机显象管的偏转线圈示意图如右 即时电流方向如图所示 该时刻由里向外射出的电子流将向哪个方向偏转 n 例3 阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的高速运动的粒子流 这些微观粒子是 若在如图所示的阴极射线管中部加上垂直于纸面向里的磁场 阴极射线将 填 向上 向下 向里 向外 偏转 电子 向下 例4 如图所示 甲 乙 丙三个质量相同 带相同正电的小球从同一高度开始自由下落 其中丙下落过程中经过一个水平方向的匀强磁场区 乙下落过程中经过一个水平方向的匀强电场区 甲直接落地 若都不计空气阻力 则落到同一水平地面上时 它们哪个速率大 哪个球最后到达地面 带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动的研究方法 1 画轨迹 依据速度方向向合力方向弯曲 确定轨迹是顺时针转还是逆时针转 2 圆心的确定 若已知带电粒子射入和射出的速度方向 可作出初速度和末速度的垂线 其焦点为圆心 若已知初速度 或末速度 的方向和进出磁场的位置可利用圆上弦的中垂线必过圆心的特点找圆心 3 角度间的两个关系 速度偏向角j 半径回旋角a半径回旋角a 对应的弦切角q的2倍 3 半径的确定 根据数学知识 解三角形求圆运动的半径 4 带电粒子在磁场中运动时间t的确定 先求出粒子在磁场中运动轨迹对应的圆心角q 再由 得 为弧度 带电粒子在有界匀强磁场中运动 v 穿过圆形磁场区 偏角经历时间注意 由对称性 射出线的反向延长线必过磁场圆的圆心 例题1 如图所示 一束电子 电量为e 以速度v垂直射入磁感强度为b 宽度为d的匀强磁场中 穿透磁场时速度方向与电子原来入射方向的夹角是30 则电子的质量是 穿透磁场的时间是 若电子能穿过磁场 则最小速度应是多大 穿过时间是多少 由几何关系找圆运动半径根据物理规律确定半径与其他量的关系 例1 k 介子衰变的方程为 k 0其中k 介子和 介子带负的基元电荷 0介子不带电 一个k 介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中 其轨迹为圆弧ap 衰变后产生的 介子的轨迹为圆弧pb 两轨迹在p点相切 它们的半径及rk 与r 之比为2 1 0介子的轨迹未画出 由此可知 的动量大小与 0的动量大小之比为 a 1 1b 1 2c 1 3d 1 6 c 例2 如图直线mn上方有磁感应强度为b的匀强磁场 正 负电子同时从同一点o以与mn成30 角的同样速度v射入磁场 电子质量为m 电荷为e 它们从磁场中射出时相距多远 射出的时间差是多少 例3 一个质量为m 电荷量为q的带电粒子从x轴上的p a 0 点以速度v 沿与x正方向成60 的方向射入第一象限内的匀强磁场中 并恰好垂直于y轴射出第一象限 求匀强磁场的磁感强度b和射出点的坐标 射出点的坐标 0 94高考 一带电质点 质量为m 电量为q 以平行于ox轴的速度v从y轴上的a点射入图中第一象限所示的区域 为了使该质点能从x轴上的b点以垂直于ax轴的速度v射出 可在适当的地方加一个垂直于xy平面 磁感强度为b的匀强磁场 若此磁场仅分布在一个圆形区域内 试求这圆形磁场区域的最小半径 重力忽略不计 长为l的水平极板间 有垂直纸面向内的匀强磁场 如图所示 磁感强度为b 板间距离也为l 板不带电 现有质量为m 电量为q的带正电粒子 不计重力 从左边极板间中点处垂直磁感线以速度v平射入磁场 欲使粒子不打在极板上 可采用的办法是什么 8 一质量为m 带电量为q的粒子以速度v0从o点沿y轴的正方向射入磁感强度为b的一圆形匀强磁场区域 磁场方向垂直于纸面 粒子飞出磁场区域后 从b处穿过x轴 速度方向与x轴正向夹角为30 如图所示 粒子的重力不计 试求 圆形磁场区域的最小面积 粒子从o点进入磁场区域到达b点所经历的时间 定性分析带电粒子在磁场中的运动 1 匀强磁场中 不计重力 2 非匀强磁场中 不计重力 根据速度方向和受力方向判断轨迹的弯曲方向根据v或b的变化判断曲率半径大小的变化 例题1 一带电粒子 沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场 粒子的一段径迹如图所示 径迹上每一小段都可以看成圆弧 由于带电粒子使沿途空气电离 粒子的能量逐渐减小 电量不变 则可判定 92gk a 粒子从a到b 带正电 b 粒子从b到a 带正电 c 粒子从a到b 带负电 d 粒子从b到a 带负电 b 例2 如图所示 水平导线中有恒定电流i通过 导线正下方的电子初速度方向与电流方向相同 则电子的可能运动情况是 a 沿路径a运动 b 沿路径b运动 c 沿路径c运动 d 沿路径d运动 d 4 空间中存在着以x 0平面为理想分界面的两个匀强磁场 左右两边磁场的磁感强度分别为b1和b2 且b1 b2 4 3 方向如图所示 现在原点o处有带等量异号电荷的两带电粒子a b 分别以大小相等的水平初动量沿x轴正方向和负方向同时射入两磁场中 且a带正电 b带负电 若a粒子在第4次经过y轴时 恰好与b粒子相遇 试求a粒子和b粒子的质量之比ma mb 不计粒子a和b重力 应用 磁电式电表 质谱仪 回旋加速器 质谱仪 回旋加速器 霍尔效应 磁流体发电 实际应用速度选择器正交的匀强磁场和匀强电场组成速度选择器 关于速度选择器 例2如图所示 a b是位于真空中的平行金属板 a板带正电 b板带负电 两板间的电场为匀强电场 场强为e同时在两板之间的空间中加匀强磁场 磁场方向垂直于纸面向里 磁感拉强度为b一束电子以大小为v0的速度从左边s处沿图中虚线方向入射 虚线平行于两板 要想使电子在两板间能沿虚线运动 则v0 e b之间的关系应该是 a v0 e bb v0 b ec v0 d v0 a 电磁流量计 电磁流量计广泛应用于测量可导电液体 如污水 在管中的流量 在单位时间内通过管内横截面的流体的体积 为了简化 假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道 其中空部分的长 宽 高分别为图中的a b c 流量计的两端与输送的管道相连接 图中虚线 图中流量计的上下两面是金属材料 前后两面是绝缘材料 现于流量计所在处加磁感应强度为b的匀强磁场 磁场方向垂直于前后表面 当导电流体稳定的流过流量计时 在管外将流量计上 下表面分别与一串联了电阻r的电流表的两端连接 i表示测得的电流值 已知液体的电阻率为 不计电流表的内阻 则此流体的流量是多少 q sv i abcr b 如图所示为一种获得高能粒子的装置 环形区域内存在垂直纸面向外 大小可调节的匀强磁场 质量为m 电量为 q的粒子在环中做半径为r的圆运动 a b为两块中心开孔的极板 原来的电势均为零 每当粒子飞经a板时 a板的电势升高为 u b板的电势仍保持为粒子在两极板间的电场中得到加速 每当粒子离开时 a板电势又降为零 粒子在电场一次次加速下动能不断增大 而绕行半径不变 1 设t 0时 粒子静止在板小孔处 在电场作用下加速 并开始绕行第一圈 求粒子绕行n圈回到a板时的总动能en 2 使粒子始终保持在半径为r的圆轨道上运动 磁场必须周期性递增 求粒子绕第n圈时磁感应强度bn 3 粒子绕行n圈所需的总时间tn 设板间距离小于 如图所示厚度为h 宽度为d的导体放在垂直于它的磁感应强度为b的匀强磁场中 当电流通过导体板时 在导体板的上侧面a和下侧面a1之间会产生电势差 这种现象称为霍尔效应 实验表明 当磁场不太强时 电势差u 电流i和磁感应强度b的关系为 式中的比例系数k称为霍尔系数 设电流i是由电子的定向流动形成的 电子的平均定向速度为v 电量为e 回答下列问题 1 达到稳定状态时 导体板上侧面a的电势下侧面a1的电势 填 高于 低于 或 等于 2 电子所受的洛伦兹力的大小为 3 当导体上下两侧面之间的电势差为u时 电子所受静电力的大小为 4 霍尔系数为k 目前世界上正在研究的一种新型发电机叫做磁流体发电机 这种发电机与一般发电机不同 它可以直接把内能转化为电能 它的发电原理是 将一束等离子体 既高温下电离的气体 含有大量带正电和带负电的微粒 而从整体来说呈中性 喷射入磁场 如图所示磁场中a b金属板上会聚集电荷 产生电压 设a b两平行金属板的面积为s 彼此相距l 等离子体的导电率为p 即电阻率的倒数 喷入速度为v 板间磁感应强度b与气流方向垂直 与板相连的电阻的阻值为r 问流过r的电流i为多少 i vblps l rps 粒子在复合场中的运动 如图所示 匀强电场e 4v m 水平向左 匀强磁场b 2t 垂直纸面向里 m 1g带正电的小物块a 从m点沿绝缘粗糙的竖直壁无初速下滑 它滑0 8m到n点时就离开壁做曲线运动 在p点小物块a瞬间受力平衡 此时其速度与水平方向成45 角 设p与m的高度差为1 6m g取10m s2 求 1 a沿壁下滑时摩擦力做的功 2 p到m的水平距离 6 10 3j 0 6m 如图所示 套在很长的绝缘直棒上的小球 其质量为m 带电量是 q 小球可在棒上滑动 将此棒竖直放在互相垂直 且沿水平方向的匀强电场和匀强磁场中 电场强度是e 磁感强度是b 小球与棒的动摩擦因数为m 求小球由静止沿棒下落的最大加速度和最大速度 设小球带电量不变 若小球带负电 情况又怎样呢 若将电场方向改为向左 情况又怎样呢 如图所示 在x轴上方有匀强电场 场强为e 在x轴下方有匀强磁场 磁感强度为b 方向如图 在x轴上有一点m 离o点距离为l 现有一带电量为 q的粒子 从静止开始释放后能经过m点 求如果此粒子放在y轴上 其坐标应满足什么关系 重力忽略不计 5 如图所示 xoy为水平平面 yoz为竖直平面 在该空间中 匀强磁场指向x轴负方向 磁应强度b 1t 匀强电场指向y轴正方向 电场强度e 10n c 一带电微粒 质量m 2 10 6kg 带电量q 2 10 6c 在yoz平面内做匀速直线运动 g 10m s2 求带电微粒的速度 若带电微粒运动到某一与电场线平行的直线上p点时 突然撤去磁场 求微粒运动到同一直线上的q点所需的时间 6 如图所示 倾角为q的光滑绝缘斜面 处在方向垂直斜面向上的匀强磁场和方向未知的匀强电场中 有一质量m 带电量为 q的小球 恰能在斜面上作匀速圆周运动 角速度为w 求 匀强磁场的磁感强度的大小 未知电场的最小场强和方向 6 在某空间同时存在着互相正