学会运用力学规律解决电磁感应问题. [知识再现] 电磁感应中通过导体的感应电流在磁场中将受到安培力的作用.电磁感应问题往往和力学问题联系在一起这类问题覆盖面广.题型也多种多样.但解决这类问题的关键在于通过运动状态的分析来寻找过程中的临界状态.如速度.加速度取最大值或最小值的条件等.基本方法是: 确定电源(E.r)→感应电流→运动导体所受的安培力→合外力→a的变化情况→运动状态的分析→ 临界状态. 对于含容电路:C.U→Q→It→Ft→m△v. 注意:(1)电磁感应中的动态分析.是处理电磁感应问题的关键.要学会从动态分析的过程中来选择是从动力学方面.还是从能量方面来解决问题. (2)在分析运动导体的受力时.常画出平面示意图和物体受力图. 类型一平衡问题 [例1](上海普陀区08届高三年级期末调研试卷)如图所示.质量位m.电阻为R.边长为L的等边三角形ACD.在A处用细线悬挂于O点.垂直于ACD施加一个垂直纸面向里的匀强磁场.当磁感应强度按规律B=kt(k为常数)增强并且正好增大为B0时.CD边安培力是 .细线上的拉力为 . 导示:根据法拉第电磁感应定律得 E=△ф/△t=△B·s/△t=k 容易分析三角形的三条边受安培力大小相等.合力为0,对线框整体分析.绳上的拉力FT=mg. 类型二单金属杆问题 [例2]在图甲.乙.丙三图中.除导体棒ab可动外.其余部分均固定不动.甲图中的电容器C原来不带电.设导体棒.导轨和直流电源的电阻均可忽略.导体棒和导轨间的摩擦也不计.图中装置均在水平面内.且都处于方向垂直水平面向下的匀强磁场中.导轨足够长.今给导体棒ab一个向右的初速度v0.在甲.乙.丙三种情形下导体棒ab的最终运动状态是 A.三种情形下导体棒ab最终均做匀速运动 B.甲.丙中.ab棒最终将以不同的速度做匀速运动,乙中.ab棒最终静止 C.甲.丙中.ab棒最终将以相同的速度做匀速运动,乙中.ab棒最终静止 D.三种情形下导体棒ab最终均静止 导示:选择B.在甲中ab棒运动产生感应电动势对电容器充电.回路中产生感应电流.ab棒受到安培力作用.作减速运动.当电容器两端的电压等于ab棒两端的电压时.不再充.放电.回路中无电流.ab棒作匀速运动. 在乙中.ab棒运动产生感应电动势.回路中产生感应电流.ab棒受到安培力作用.作减速运动.直到速度为0. 在丙中.电源为ab棒供电.开始向右运动.ab棒运动产生感应电流方向与原来电流同向.ab棒受到安培力作用.作减速运动.减速到速度为0后.受安培力作用.向左加速.当ab棒产生的感应电动势与电源电动势相等时.ab棒中无电流.不再受力作匀速运动. 类型三线框运动问题 [例3](江苏省沛县中学08届高三第四次月考)如图.光滑斜面的倾角= 30°.在斜面上放置一矩形线框abcd.ab边的边长l1 = l m.bc边的边长l2= 0.6 m.线框的质量m = 1 kg.电阻R = 0.1Ω.线框通过细线与重物相连.重物质量M = 2 kg.斜面上ef线(ef∥gh)的右方有垂直斜面向上的匀强磁场.磁感应强度B = 0.5 T.如果线框从静止开始运动.进入磁场最初一段时间是匀速的.ef线和gh的距离s = 11.4 m.(取g = 10m/s2).求: (1)线框进入磁场前重物M的加速度, (2)线框进入磁场时匀速运动的速度v, (3)ab边由静止开始运动到gh线处所用的时间t, (4)ab边运动到gh线处的速度大小和在线框由静止开始到运动到gh线的整个过程中产生的焦耳热. 导示:(1)线框进入磁场前.线框仅受到细线的拉力FT.斜面的支持力和线框重力.重物M受到重力和拉力FT.对线框.由牛顿第二定律得FT – mg sinα= ma. 联立解得线框进入磁场前重物M的加速度=5m/s2 (2)因为线框进入磁场的最初一段时间做匀速运动.所以重物受力平衡Mg = FT′. 线框abcd受力平衡FT′= mg sinα+ FA ab边进入磁场切割磁感线.产生的电动势 E = Bl1v,形成的感应电流 受到的安培力 联立上述各式得.Mg = mg sinα+ 代入数据解得v=6 m/s (3)线框abcd进入磁场前时.做匀加速直线运动,进磁场的过程中.做匀速直线运动,进入磁场后到运动到gh线.仍做匀加速直线运动. 进磁场前线框的加速度大小与重物的加速度相同.为a = 5 m/s2 该阶段运动时间为 进磁场过程中匀速运动时间 线框完全进入磁场后线框受力情况同进入磁场前.所以该阶段的加速度仍为a = 5m/s2 ,解得:t3 =1.2 s 因此ab边由静止开始运动到gh线所用的时间为t = t1+t2+t3=2.5s (4)线框ab边运动到gh处的速度v′=v + at3 = 6 m/s+5×1.2 m/s=12 m/s 整个运动过程产生的焦耳热Q = FAl2 =(Mg – mgsinθ)l2 = 9 J [点评]本题考查的知识点主要有牛顿定律.物体平衡条件.法拉第电磁感应定律.闭合电路欧姆定律.安培力.运动学公式.能量守恒定律等.重点考查根据题述的物理情景综合运用知识能力.分析推理能力.运用数学知识解决物理问题的能力. 类型四双电源问题 [例4]超导体磁悬浮列车是利用超导体的抗磁化作用使列车车体向上浮起.同时通过周期性地变换磁极方向而获得推进动力的新型交通工具.如图所示为磁悬浮列车的原理图.在水平面上.两根平行直导轨间有竖直方向且等距离的匀强磁场B1和B2.导轨上有一个与磁场间距等宽的金属框abcd.当匀强磁场B1和B2同时以某一速度沿直轨道向右运动时.金属框也会沿直轨道运动.设直轨道间距为L.匀强磁场的磁感应强度为B1=B2=B磁场运动的速度为v.金属框的电阻为R.运动中所受阻力恒为f.则金属框的最大速度可表示为 ( ) A. B. C. D. 导示:金属框在磁场中运动时.产生的电动势为 E=2BL(v-vm),稳定时.金属框匀速运动.受到的合力为0.即2FA=f,FA=BIL,I=E/R. 得,故选择C. 类型五非匀强磁场问题 [例5]一个质量为m.直径为d.电阻为R的金属圆环.在范围足够大的磁场中竖直向下下落.磁场的分布情况如图所示.已知磁感强度竖直方向分量By的大小只随高度y变化.其随高度y变化关系为By=B0(1+ky)(此处k为比例常数.且k>0).其中沿圆环轴线的磁场方向始终向上.金属圆环在下落过程中的环面始终保持水平.速度越来越大.最终稳定为某一数值.称为收尾速度.求: (1)圆环中感应电流的方向. (2)圆环收尾速度的大小. 导示:(1)根据楞次定律可以判断圆环中感应电流的方向为俯视顺时针方向. (2)圆环中的磁通量变化△ф=πB0 d2kv△t/4, 根据法拉第电磁感应定律E=△ф/△t=πB0 d2kv /4 I=E/R=πB0 d2kv /4R, 金属圆环最终稳定时.重力做功的功率等于电功率 即mgv=I2R.所以.圆环收尾速度的大小为: 查看更多

 

题目列表(包括答案和解析)

第十部分 磁场

第一讲 基本知识介绍

《磁场》部分在奥赛考刚中的考点很少,和高考要求的区别不是很大,只是在两处有深化:a、电流的磁场引进定量计算;b、对带电粒子在复合场中的运动进行了更深入的分析。

一、磁场与安培力

1、磁场

a、永磁体、电流磁场→磁现象的电本质

b、磁感强度、磁通量

c、稳恒电流的磁场

*毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savart law):对于电流强度为I 、长度为dI的导体元段,在距离为r的点激发的“元磁感应强度”为dB 。矢量式d= k,(d表示导体元段的方向沿电流的方向、为导体元段到考查点的方向矢量);或用大小关系式dB = k结合安培定则寻求方向亦可。其中 k = 1.0×10?7N/A2 。应用毕萨定律再结合矢量叠加原理,可以求解任何形状导线在任何位置激发的磁感强度。

毕萨定律应用在“无限长”直导线的结论:B = 2k 

*毕萨定律应用在环形电流垂直中心轴线上的结论:B = 2πkI 

*毕萨定律应用在“无限长”螺线管内部的结论:B = 2πknI 。其中n为单位长度螺线管的匝数。

2、安培力

a、对直导体,矢量式为 = I;或表达为大小关系式 F = BILsinθ再结合“左手定则”解决方向问题(θ为B与L的夹角)。

b、弯曲导体的安培力

⑴整体合力

折线导体所受安培力的合力等于连接始末端连线导体(电流不变)的的安培力。

证明:参照图9-1,令MN段导体的安培力F1与NO段导体的安培力F2的合力为F,则F的大小为

F = 

  = BI

  = BI

关于F的方向,由于ΔFF2P∽ΔMNO,可以证明图9-1中的两个灰色三角形相似,这也就证明了F是垂直MO的,再由于ΔPMO是等腰三角形(这个证明很容易),故F在MO上的垂足就是MO的中点了。

证毕。

由于连续弯曲的导体可以看成是无穷多元段直线导体的折合,所以,关于折线导体整体合力的结论也适用于弯曲导体。(说明:这个结论只适用于匀强磁场。)

⑵导体的内张力

弯曲导体在平衡或加速的情形下,均会出现内张力,具体分析时,可将导体在被考查点切断,再将被切断的某一部分隔离,列平衡方程或动力学方程求解。

c、匀强磁场对线圈的转矩

如图9-2所示,当一个矩形线圈(线圈面积为S、通以恒定电流I)放入匀强磁场中,且磁场B的方向平行线圈平面时,线圈受安培力将转动(并自动选择垂直B的中心轴OO′,因为质心无加速度),此瞬时的力矩为

M = BIS

几种情形的讨论——

⑴增加匝数至N ,则 M = NBIS ;

⑵转轴平移,结论不变(证明从略);

⑶线圈形状改变,结论不变(证明从略);

*⑷磁场平行线圈平面相对原磁场方向旋转α角,则M = BIScosα ,如图9-3;

证明:当α = 90°时,显然M = 0 ,而磁场是可以分解的,只有垂直转轴的的分量Bcosα才能产生力矩…

⑸磁场B垂直OO′轴相对线圈平面旋转β角,则M = BIScosβ ,如图9-4。

证明:当β = 90°时,显然M = 0 ,而磁场是可以分解的,只有平行线圈平面的的分量Bcosβ才能产生力矩…

说明:在默认的情况下,讨论线圈的转矩时,认为线圈的转轴垂直磁场。如果没有人为设定,而是让安培力自行选定转轴,这时的力矩称为力偶矩。

二、洛仑兹力

1、概念与规律

a、 = q,或展开为f = qvBsinθ再结合左、右手定则确定方向(其中θ为的夹角)。安培力是大量带电粒子所受洛仑兹力的宏观体现。

b、能量性质

由于总垂直确定的平面,故总垂直 ,只能起到改变速度方向的作用。结论:洛仑兹力可对带电粒子形成冲量,却不可能做功。或:洛仑兹力可使带电粒子的动量发生改变却不能使其动能发生改变。

问题:安培力可以做功,为什么洛仑兹力不能做功?

解说:应该注意“安培力是大量带电粒子所受洛仑兹力的宏观体现”这句话的确切含义——“宏观体现”和“完全相等”是有区别的。我们可以分两种情形看这个问题:(1)导体静止时,所有粒子的洛仑兹力的合力等于安培力(这个证明从略);(2)导体运动时,粒子参与的是沿导体棒的运动v1和导体运动v2的合运动,其合速度为v ,这时的洛仑兹力f垂直v而安培力垂直导体棒,它们是不可能相等的,只能说安培力是洛仑兹力的分力f1 = qv1B的合力(见图9-5)。

很显然,f1的合力(安培力)做正功,而f不做功(或者说f1的正功和f2的负功的代数和为零)。(事实上,由于电子定向移动速率v1在10?5m/s数量级,而v2一般都在10?2m/s数量级以上,致使f1只是f的一个极小分量。)

☆如果从能量的角度看这个问题,当导体棒放在光滑的导轨上时(参看图9-6),导体棒必获得动能,这个动能是怎么转化来的呢?

若先将导体棒卡住,回路中形成稳恒的电流,电流的功转化为回路的焦耳热。而将导体棒释放后,导体棒受安培力加速,将形成感应电动势(反电动势)。动力学分析可知,导体棒的最后稳定状态是匀速运动(感应电动势等于电源电动势,回路电流为零)。由于达到稳定速度前的回路电流是逐渐减小的,故在相同时间内发的焦耳热将比导体棒被卡住时少。所以,导体棒动能的增加是以回路焦耳热的减少为代价的。

2、仅受洛仑兹力的带电粒子运动

a、时,匀速圆周运动,半径r =  ,周期T = 

b、成一般夹角θ时,做等螺距螺旋运动,半径r =  ,螺距d = 

这个结论的证明一般是将分解…(过程从略)。

☆但也有一个问题,如果将分解(成垂直速度分量B2和平行速度分量B1 ,如图9-7所示),粒子的运动情形似乎就不一样了——在垂直B2的平面内做圆周运动?

其实,在图9-7中,B1平行v只是一种暂时的现象,一旦受B2的洛仑兹力作用,v改变方向后就不再平行B1了。当B1施加了洛仑兹力后,粒子的“圆周运动”就无法达成了。(而在分解v的处理中,这种局面是不会出现的。)

3、磁聚焦

a、结构:见图9-8,K和G分别为阴极和控制极,A为阳极加共轴限制膜片,螺线管提供匀强磁场。

b、原理:由于控制极和共轴膜片的存在,电子进磁场的发散角极小,即速度和磁场的夹角θ极小,各粒子做螺旋运动时可以认为螺距彼此相等(半径可以不等),故所有粒子会“聚焦”在荧光屏上的P点。

4、回旋加速器

a、结构&原理(注意加速时间应忽略)

b、磁场与交变电场频率的关系

因回旋周期T和交变电场周期T′必相等,故 =

c、最大速度 vmax = = 2πRf

5、质谱仪

速度选择器&粒子圆周运动,和高考要求相同。

第二讲 典型例题解析

一、磁场与安培力的计算

【例题1】两根无限长的平行直导线a、b相距40cm,通过电流的大小都是3.0A,方向相反。试求位于两根导线之间且在两导线所在平面内的、与a导线相距10cm的P点的磁感强度。

【解说】这是一个关于毕萨定律的简单应用。解题过程从略。

【答案】大小为8.0×10?6T ,方向在图9-9中垂直纸面向外。

【例题2】半径为R ,通有电流I的圆形线圈,放在磁感强度大小为B 、方向垂直线圈平面的匀强磁场中,求由于安培力而引起的线圈内张力。

【解说】本题有两种解法。

方法一:隔离一小段弧,对应圆心角θ ,则弧长L = θR 。因为θ 

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