高中选修3-1-2电与磁物理知识点

第一章 电 场 一 电荷一 电荷 1 自然界中有且只有两种电荷 丝绸摩擦过的玻璃棒带正电 毛皮摩擦过的橡胶棒带负电 电荷间的相互作用 同种电荷相互排斥 异种电荷相互吸引 2 电荷守恒定律 电荷既不会创造 也不会消灭 只能从一个物体转移到另一个物体 或 从物体的一个部分转移到另一个部分 起电 的三种方法 摩擦起电 接触起电 感应起电 实质都是电子的转移引起 失去 电子带正电 得到电子带等量负电 3 电荷量 Q 电荷的多少 元电荷 带最小电荷量的电荷 自然界中所有带电体带的电荷量都是元电荷的整数倍 密立根油滴实验测出 e 1 6 10 19C 点电荷 与所研究的空间相比 不计大小与形状的带电体 库仑定律 真空中两个点电荷之间相互作用的静电力 跟它们的电荷量的乘积成正比 跟 它们的距离的平方成反比 公式 k 9 109 N m2 C2 二 电场 二 电场 1 电荷间的作用通过电场产生 电场是一种客观存在的一种物质 电场的基本性质是对放 入其中的电荷有力的作用 2 电场强度 E 放入电场中的电荷所受电场力与它的电荷量 q 的比 E F q 单位 N C 或 V m E 是电场的一种特性 只取决于电场本身 与 F q 等无关 普通电场场强点电荷周围电场场强匀强电场场强 公式E F qE U d 方向 与正电荷受电场力方向相同 与负电荷受电场力方向相反 沿半径方向背离 Q 沿半径方向指向 Q 由 Q 指向 Q 大小电场线越密 场强越大各处场强一样大 3 电场线 形象描述场强大小与方向的线 实际上不存在 疏密表示场强大小 切线方向 表示场强方向 一率从 Q 指向 Q 正试探电荷在电场中受电场力顺电场线 负电 荷在电场中受电场力逆电场线 电场线的轨迹不一定是带电粒子在电场中运动的轨迹 只有电场线为直线 带电粒子初速 度为零时 两条轨迹才重合 任意两根电场线都不相交 任意两根电场线都不相交 4 静电平衡时的导体净电荷只分布在外表面上 内部合场强处处为零 导体是一个等势体 三 电势与电势能 三 电势与电势能 1 电势差 U 将电荷 q 从电场中的一点 A 移至 B 点时 电场力对电荷所做的功 WAB与电 2 r Qq kF 2 r Q kE 荷 q 的比 U WAB q 电势差是一个标量 公式中的三个物理量计算时要注意 符号 U WAB q 只取决于电场两点位置 与 W q 等无关 单位 V 电势 将电荷 q 从电场中的一点 A 移至无穷远时 电场力对电荷所做的功 W 与电荷 q 的比 通常取大地与无穷远处为零电势点 单位 V 电势差的大小与零电势点的选取无关 只与电场中的两点位置有关 电势的大小与零电 势点的选取有关 UAB A B 2 沿着电场线的方向 电势越来越低 电场线方向为电势降低最快的方向 顺电场线方向 算电势差为 逆电场线方向算电势差为 电场力做正功 电势能减少 电场力做负功 电势能增加 3 电子伏 eV 是电功 电势能的单位 1 eV 1 6 10 19J 4 在同一等势面上移动电荷 电场力不做功 等势面一定电场线垂直 电场线的方向由高 等势面指向低等势面 等势面越密 场强越大 例 作出上面几个图中的等势面 例 作出上面几个图中的等势面 四 电容四 电容 C 1 电容 C 任何两个彼此绝缘的又相隔很近的物体组成电容 2 计算方法 电容器所带电荷量 Q 与电容器两极板电压的比 电容表示电容器容纳电荷的本领 与 Q U 等无关 额定电压 电容器长期工作时所能承受的最大电压 击穿电压 击穿电容器的电介质使电容器损坏的电压 U额定 U击穿 3 单位 法拉 F 1F 106 F 1012pF 4 平行板电容器的电容计算公式 例 一个两个极板分别带 1 6 10 10C 的电容 电容量为 5pF 两极板电压 U 是 将两极板用导线连接后 带电量是 两极板电压 U 是 电容量是 拿走导线后带电量是 两极板电压 U 是 电容量是 例 电容量改变后各个物理量的更变 改变情况电容电荷量 Q CU电压 U Q C场强 E U d d 变 大 d 变 大 U Q U Q C kd S C 4 kd S C 4 dm qU m qE m F a 2 1 2 2 2 0 2 22 422 1 dU LU mdv qLU aty 1 2 2 0 2 00 2dU LU mdv qLU v at v v tg y tg L y 2 电荷飞出偏转电场时 好象是从偏转电场中点 沿直线飞出似的 讨论 当 v0一样时 只要 q m 相同时 y tg 相同 当 1 2mv02一样时 只要 q 相同时 y tg 相同 当 mv0一样时 只要 q v0相同时 y tg 相同 无论带电粒子 q m 如何 只要 U1 U2不变 y tg 相同 五 带电粒子在电场中的运动 1 带电粒子在 U U1 的加速 W Ek 1 2 mv2 qU 式中 U 是两极电压 电 场不一定是匀强电场 2 带电粒子在 U2中的偏转 类 似平抛 m qU v 2 0 v L t 第二章 恒 定 电 流 一 电荷定向移动形成电流 一 电荷定向移动形成电流 1 形成电流的条件 要有自由电荷 导体两端存在电压 即 自由电荷在电场力的作用下定向移动 2 电流方向 正电荷定向移动的方向 负电荷定向移动的反方向 3 电流 I 单位时间内流过导体横截面积的电荷量 I q t q 表示电荷量 t 表示通电时间 I nqvS n 单位体积内的自由电荷数 q 自由电荷的电荷量 v 电荷定向移动的速率 非常小 数量级 10 5m s S 导体横截面积 国际单位 安培 A 1AmA 1mA 103 A 4 电流电流 I 是标量 不是矢量 是标量 不是矢量 二 欧姆定律 二 欧姆定律 1 部分电路欧姆定律 部分电路欧姆定律 导体中的电流与这段导体的两端的电压成正比 与这段导体的电阻成反比 公式 I U R 适用条件 金属 电解液 纯电阻 金属 电解液 纯电阻 对气态导体 晶体管等不适用 2 闭合电路的欧姆定律 闭合电路的欧姆定律 闭合电路中的电流跟电源的电动势成正比 跟内 外电路的电阻之和成反比 I E R r 当外电阻增大 电流减小 路端电压增大 当外电阻减小 电流增大 路端电压减小 当电路开路时 根据 U E Ir 此时 U E 当电路短路时 E Ir 3 电阻 电阻 R 导体对电流阻碍作用的大小 导体对电流阻碍作用的大小 公式 R 与 U I 无关 是导体的一种特性 决定导体电阻大小的因素 导体的电阻定律 导体的电阻率 越大表示导体导电能力越差 的国际单位 m l 表示导体的长度 S 表示导体的横截面积 相同条件下 温度越高导体的 越大 超导现象 当温度足够低 有的接近于绝对零度 导体的 变为零 半导体 相同条件下 温度越高导体的 越小 三 串 并联电路基本关系式 三 串 并联电路基本关系式 电流关系电压关系电阻关系n 个相同的电阻比例关系 串联I I1 I2 U U1 U2 用电器分电压 电阻越大 分 压越多 R R1 R2 R总 nR0 相当于增加导体长度 总电阻大于分电阻 并联 I I1 I2 用电器分电流 电阻越大 分 流越少 U U1 U2 相当于增加导体横截面积 总电阻小于分电阻 四 电功与热功 电功率与热功率 四 电功与热功 电功率与热功率 电功 W 电场力对自由电荷所做的功 俗称电流做功 国际单位 焦耳 J 电功率 P 电流在单位时间内所做的功 国际单位 瓦特 W 用电器正常工作时的电功率为额定功率 此时的电压为额定电压 电流为额定电流 功能转换电功 电功率电热 热功率 纯电阻电路 电功全部转化为内能 Q W P热 P S l R 2 1 2 1 2 1 2 1 R R U U P P W W 21 111 RRR 21 21 RR RR R 1 2 2 1 2 1 2 1 R R I I P P W W n R R 0 总 t R U RtIUItPtW 2 2 R U RIUt t W P 2 2 I U I U R 非纯电阻电路 W机 W Q UIt I2Rt P机 P P热 UI I2R 电功部分转化为内能 其余为机械能 Q I2Rt P热 I2R 注意 线性电路 欧姆定律成立 非线性电路 欧姆定律不成立 W UIt 用于求任何电路中的总电功 Q I2Rt 用于求任何电路中的焦耳热 五 电流表与电压表 五 电流表与电压表 1 小量程电流表 G 原理 磁场对其中的电流有力的作用 表头内阻 电流表 G 的电阻 r 满偏电流 指针偏转到最大刻度时的电流 Ig 满偏电压 指针偏转到最大刻度时的电压 Ug Ug Ig r 2 大量程的电流表与电压表 类型Rx的作用计算方法 电流表 分流 电压表 分压 3 伏安法测量电阻 原理 R U I 电流表外接法电流表内接法 RX RVRX RA 实际测量 RX偏小 IX偏大实际测量 RX偏大 UX偏大 4 欧姆表 直接测量电阻值的电表 原理图 如图 注意 黑笔接内电源的正极 注意 黑笔接内电源的正极 使用注意点 每次测量前先使红 黑表笔相碰 调节调零电阻 RP 使指针指在零刻度 第三章 磁 场 UItPtW Ut t W P X g g X I I R R g X g X U U R R 一 磁场 1 基本性质 对放入其中的磁极 电流有力的作用 磁极间 电流间的作用通过磁场产生 磁场是客观存在的一种特殊形态的物质 2 方向 放入其中小磁针 N 极的受力方向 静止时 N 极的指向 放入其中小磁针 S 极的受力的反方向 静止时 S 极的反指向 3 磁感线 形象描述磁场强弱和方向的假想的曲线 磁体外部 极到 极 磁体内部 极到 极 磁感线上某点的切线方向为该点的磁场方向 磁感线的疏密表示磁场的强弱 安培定则 右手四指为环绕方向 大拇指为单独走向 导体的种类磁场形状判断方法 通电直导线 以导线为中心的各簇 互相平行的同心圆 右手握住导线 大拇 指指向与电流方向一 致 四指绕向为磁感 线的方向 矩形 环形电流 各簇围绕环形导线的 闭合曲线 中心轴上 磁感垂直环形平面 右手绕向与环形电流 方向一致 大拇指方 向为环形电流内部的 磁场方向 通电螺线管 外部类似于条形磁体 的磁场 内部为匀强 磁场 右手握住螺线管 四 指绕向与电流绕向一 致 大拇指指向为磁 场的 极 二 安培力 定义 磁场对电流的作用力 计算公式 sin 式中 是 与 的夹角 电流与磁场平行时 电流在磁场中不受安培力 电流与磁场垂直时 电流在磁场中受安培力最大 0 F 安培力的方向 左手定则 左手掌放入磁场中 磁感线穿过掌心 四指指向电流方向 大拇指指向为通电导线 所受安培力的方向 三 磁感应强度 定义 放入磁场中的电流元与磁场垂直时 所受安培力 跟电流元 的比值 公式 磁感应强度 是磁场的一种特性 与 等无关 注 匀强磁场中 与 垂直时 为导线的长度 非匀强磁场中 与 垂直时 为短导线长度 国际单位 特斯拉 磁感应强度 是矢量 方向即磁场方向 磁感线方向为 方向 疏密表示 的强弱 匀强磁场 磁感应强度 的大小和方向处处相同的磁场 磁感线是分布均匀的平行直线 例 靠近的两个异名磁 极之间的部分磁场 通电螺线管内的磁场 电场强度 磁感应强度 IL F B qB mv r qB m T 2 2 2 d qB m qU m qB mv r U qdB m 8 22 m UUUq v n n 2 21 交变 T qB m T 2 相同点 都是客观存在的描述场的特殊物理量 都是矢量 叠加时遵循 平行四边形 法则 不同点电场强度 磁感应强度 引入用试探电荷 q用试探电流元 定义 q 与 q 无关 B 与 F I L 无关 单位N C 或 V mT 电场线磁感线 两线切线方向为场方向 疏密表示场的强弱 形象描述 不封闭曲线 从 Q 指向 Q 封闭曲线 外部从 N 指向 S 内部从 S 指 向 N 场力 F 电场力 F qE 由电荷作用判断方向 安培力 F I LB 左手定则判断方向 E 一定B 一定 匀强场 两线均为分布均匀的平行直线 四 电流表 辐向式磁场 线圈所受力矩 M NBIS k 五 磁场对运动电荷的作用 1 洛伦兹力 运动电荷在磁场中所受的力 2 方向 用左手定则判断 磁感线穿过掌心 四指所指为正电荷运动方向 负电荷运动的反方向 大拇指所指方 向为洛伦兹力方向 3 大小 F qv B 4 洛伦兹力始终与电荷运动方向垂直 只改变电荷的运动方向 不对电荷做功 5 电荷垂直进入磁场时 运动轨迹是一个圆 轨道半径只与粒子的 m v q 有关 轨道周期只与粒子的 m q 有关 而与粒子的 r v 等无关 质谱仪 不同的谱线半径可知粒子的质量 六 加速器 1 直线加速器 2 回旋加速器 七 安培分子电流假说 磁体内部有环形分子电流 分子电流取向大致相同时 形成磁体 第四章 电磁感应 sV A CV A J m mA N mTWb 111111 22 t NE t t I LE 一 磁通量 1 定义 磁感应强度 B 与磁场垂直面积 S 的的乘积 表示穿过某一面积的磁感应线的条数 只要穿过面积的磁感应 线条数一定 磁通量就一定 与面积是否倾斜 线圈量的匝数等因素无关 2 公式 BS S 是垂直 B 的面积 或 B 是垂直 S 的分量 3 国际单位 韦伯 韦 Wb 4 磁感应强度又称磁通密度 二 电磁感应 1 定义 只要穿过闭合电路的磁通量发生变化 闭合电路中就有感应电流产生 其实质就是其它形式的能转化成电 能 2 电磁感应时一定有感应电动势 电路闭合时才有感应电流 产生感应电动势的那部分电路相当于电源的内电路 感应电流从低电势端流向高电势端 相当于 流向 外部电路感应电流从高电势端流向低电势端 相当于 流向 3 电磁感应定律 电路中的感应电动势的大小 跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比 公式 式中 E 是 t 时间内的平均感应电动势 是磁通量的变化量 是磁通量的变化率 N 是 线圈的匝数 主要应用于求主要应用于求 t 时间内的平均感应电动势时间内的平均感应电动势 求瞬间电动势 求瞬间电动势 切割方式图形计算方法注意点 平动切割 导体弯曲时 L 为有 效长度 绕点转动切割 E 与转轴 O 点位置 有关有关 绕线转动切割 E NBLv NBLL NBS E 与转轴 OO 位置 无关无关 注 实际应用时 注 实际应用时 L v S 都要用有效值 所有单位都要用国际单位制 都要用有效值 所有单位都要用国际单位制 4 愣次定律 求感应电流的方向 内容 感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化 即即 增反减同增反减同 适用于闭合电路 环形 矩形等 中磁通量的变化而产生感应电流方向的判定 阻碍 不仅有 反抗 的含义 还有 补偿 的含义 反抗磁通量的增加 补偿磁通量的减少 并不仅仅是阻止 右手定则 伸开右手掌 让磁感线穿过掌心 拇指指向为导体运动方向 四指所指为感应电流的方向或感应电动 势内电路的方向 主要适用于切割磁感线而产生的感应电流 感应电动势方向的判定 右手定则是愣次定律的特殊应右手定则是愣次定律的特殊应 用 用 三 自感 1 定义 由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象 2 自感电动势 自感现象中产生的感应电动势 公式 式中 L 是自感系数 由线圈本身的性质决定 相同条件下 线圈的横截面积越大 线圈越长 加入铁芯 自感系 S B 111 2 mA N m Wb T BLv t tBLv t SB t E 2 2 2 1 2 1 BL t LB t E m m I I I707 0 2 m m U U U707 0 2 数将增加 L 国际单位 亨利 亨 H 1H 103mH 1mH 103 H 3 日光灯原理 启动器 启辉器 利用氖管的辉光放电 自动把电路接通 断开 内部的电容防火花 没有 电容也能工作 日光灯接通发光时 起动器不起作用 镇流器 在日光灯点燃时 利用自感现象 产生瞬时高压 使灯管通电日光灯正常发光时 利 用自感现象起降压 限流作用 第五章 交变电流 一 交变电流的产生 1 原理 电磁感应 2 中性面 线圈平面与磁感线垂直的平面 发电机的线圈与中性面重合时 磁通量 最大 感应电流与感应电动势 最小 感应电流的方向从此时发生改变 线圈平面平行与磁感线时 磁通量 最小 感应电流与感应电动势最大 穿过线圈的磁通量与产生的感应电动势 感应电流随时间变化的函数关系总是互余的 取中性面为计时平面 e Emsin t mcos t i Imsin t u Umsin t 3 正弦 余弦 正弦 余弦 交变电最大值 峰值 Am与有效值 A 的关系 用电器所标的额定电压 电流 电表所测交流数值都是交变电的有效值 U 220V Um 220 V 311V U 380V Um 380 V 537V 4 有效值不是平均值 A 求 t 时间内的平均感应电动势 B 求感应电动势的瞬时值 切割方式图形计算方法注意点 平动切割 导体弯曲时 L 为有 效长度 绕点转动切割 E 与转轴 O 点位置 有关有关 绕线转动切割 E NBLv NBLL NBS E 与转轴 OO 位置 无关无关 C 求交流电的热量功率时 只能用有效值 D 求通过导体电荷量时 只能用交流的平均值 5 周期 T 线圈匀速转动一周 交变电流完成一次周期性变化所需时间 单位 秒 s 22 t n E BLv t tBLv t SB t E 2 2 2 1 2 1 BL t LB t E 2 1 2 1 n n U U 1 2 2 1 n n I I 2 2 1 1 tt 频率 f 交变电流在 1 秒内周期性变化的次数 单位 赫兹 Hz T 1 f 圆频率 2 f 2 T 我国交变电的频率 50 Hz 周期 0 02s 1s 方向变 100 次 二 电感 L 通直流 阻交流 通低频 阻高频 电容 C 通交流 阻直流 通高频 阻低频 三 变压器 1 原理 原 副线圈中的互感现象 原 副线圈中的磁通量的变化率磁通量的变化率相等 P1 P2 2 变压器只变换交流 不变换直流 更不变频 原 副线圈中交流电的频率一样 f1 f2 高压线圈匝数多 电流小 导线较细 低压线圈匝数少 电流大 导线较粗 3 如左图 U1 U2 U3 n1 n2 n3 n1 I1 n2 I2 n3 I3 P1 P2 P3 四 电能输送的中途损失 U Ir线 r线 U电源 U用户 U P I2 r线 r线 P电源 P用户 P 五 三相交变电 1 原理 三个互成 120 度的同种线圈同时转动产生三相交变电动势 U1 Umsin t u2 Umsin t 2 3 u3 Umsin t 4 3 2 相电压 端线 火线 相线 与中性线之间的电压 线电压 两根不同的端线之间的电压 电源 Y 形连接 U线 U相 电源 形连接 U线 U相 3 例 下列四个图中 单相电压是 220V 则三个相同电阻中 每个电阻两端电压是 第六章 电磁场与电磁波 一 电磁振荡的产生 1 振荡电流 大小与方向都作周期性变化的电流 振荡电路 LC 回路 产生振荡电流的电路 LC 回路中产生正弦交变电 电容 C 中容纳电荷最多时 电路中电流最小 磁场能全