江蘇省儀征市陳集中學(xué)高三物理《磁場(chǎng)》課件.ppt

2006 12 1 第十一章 磁場(chǎng) 2006 12 2 考綱要求 只要求掌握直導(dǎo)線跟b平行或垂直兩種情況下的安培力 只要求掌握v跟b平行或垂直兩種情況下的洛侖磁力 說明 2006 12 3 2006 12 4 第一部分磁場(chǎng)的基本概念 1 磁場(chǎng)的產(chǎn)生 磁體的周圍存在磁場(chǎng) 與電場(chǎng)一樣是一種特殊物質(zhì) 電流周圍存在磁場(chǎng) 奧斯特實(shí)驗(yàn) 南北放置 導(dǎo)線通電后發(fā)生偏轉(zhuǎn) 電流產(chǎn)生磁場(chǎng) 電荷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng) 2 磁場(chǎng)的基本性質(zhì) 對(duì)放入其中的磁體 電流有力的作用 磁體對(duì)電流的作用 電流對(duì)電流的作用 2006 12 5 3 磁體間相互作用的本質(zhì) 4 磁現(xiàn)象的電本質(zhì) 安培分子電流假說 在原子 分子等物質(zhì)微粒內(nèi)部存在一種環(huán)形電流 分子電流 分子電流使每個(gè)物質(zhì)微粒都成為微小的磁體 它的兩側(cè)相當(dāng)于兩個(gè)磁極 解釋磁化 消磁現(xiàn)象 不顯磁性 顯磁性 總結(jié) 一切磁現(xiàn)象都是由電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的 2006 12 6 5 磁場(chǎng)的方向 規(guī)定為小磁針n極在磁場(chǎng)中的受力方向 或小磁針靜止時(shí)n極所指的方向 6 磁感線 用來形象地描述磁場(chǎng)中各點(diǎn)的磁場(chǎng)方向和強(qiáng)弱的假想曲線 磁感線上每一點(diǎn)的切線方向就是該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向 即小磁針n極在該點(diǎn)的受力方向或靜止時(shí)的指向 磁感線的疏密表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱 磁感線是封閉曲線 和靜電場(chǎng)的電場(chǎng)線不同 幾種磁場(chǎng)的磁感線 條形磁鐵 蹄形磁鐵 2006 12 7 通電直導(dǎo)線 判斷方法 立體圖 縱截面圖 橫截面圖 環(huán)形電流 判斷方法 立體圖 縱截面圖 橫截面圖 2006 12 8 通電螺線管 判斷方法 橫截面圖 縱截面圖 地磁場(chǎng) 2006 12 9 例1 步步高p178應(yīng)用2 1例1 例2 步步高p178應(yīng)用3 1p179例2 7 磁感應(yīng)強(qiáng)度 描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與方向的物理量 定義 在磁場(chǎng)中垂直磁場(chǎng)方向的通電導(dǎo)線 受到的安培力跟電流和導(dǎo)線長(zhǎng)度的乘積的比值 矢量 方向?yàn)樵擖c(diǎn)的磁場(chǎng)方向 即通過該點(diǎn)的磁感線的切線方向 例3 步步高p179例3p177應(yīng)用1 1 例4 步步高p179例4 2006 12 10 第二部分磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力磁電式儀表 1 磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力 安培力 方向 左手定則 磁場(chǎng)方向 判斷下列通電導(dǎo)線的受力方向 安培力方向 判斷下列導(dǎo)線的電流方向或磁場(chǎng)方向或受力方向 2006 12 11 大小 f bil b i 如b i則f 0 如b與i成任意角則把l投影到與b垂直和平行的方向上 與b垂直的為有效 l為在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度 f bilsin b與i的夾角 2 通電導(dǎo)線在安培力作用下運(yùn)動(dòng)的定性判斷 2006 12 12 隨堂 步步高p181例1 2006 12 13 3 電流在安培力作用下的定量計(jì)算問題 例1 如圖 相距20cm的兩根光滑平行銅導(dǎo)軌 導(dǎo)軌平面傾角為 370 上面放著質(zhì)量為80g的金屬桿ab 整個(gè)裝置放在b 0 2t的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 1 若磁場(chǎng)方向豎直向下 要使金屬桿靜止在導(dǎo)軌上 必須通以多大的電流 2 若磁場(chǎng)方向垂直斜面向下 要使金屬桿靜止在導(dǎo)軌上 必須通以多大的電流 例2 如圖所示 有一金屬棒ab 質(zhì)量為m 5g 電阻r 1 可以無摩擦地在兩條平行導(dǎo)軌上滑行 導(dǎo)軌間距離為d 10cm 電阻不計(jì) 導(dǎo)軌平面與水平面的夾角 30 整個(gè)裝置放在磁感應(yīng)強(qiáng)度b 0 4t的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 磁場(chǎng)方向豎直向上 電源的電動(dòng)勢(shì)e 2v 內(nèi)電阻r 0 1 試求變阻器取值是多少時(shí) 可使金屬棒靜止在導(dǎo)軌上 2006 12 14 例3 在磁感應(yīng)強(qiáng)度b 0 08t 方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 一根長(zhǎng)l1 20cm 質(zhì)量m 24g的金屬橫桿水平地懸掛在兩根長(zhǎng)均為24cm的輕細(xì)導(dǎo)線上 電路中通以圖示的電流 電流強(qiáng)度保持在2 5a 橫桿在懸線偏離豎直位置 30 處時(shí)由靜止開始擺下 求橫桿通過最低點(diǎn)的瞬時(shí)速度大小 隨堂 步步高p180 181應(yīng)用1 1 例2 2006 12 15 4 電流表的工作原理 構(gòu)造 由輻向均勻分布的磁場(chǎng)和放入其中的可轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈組成 如圖 工作原理 線圈中有電流時(shí) 受磁場(chǎng)力的作用而轉(zhuǎn)動(dòng) 當(dāng)磁場(chǎng)力矩與彈簧的扭轉(zhuǎn)力矩相等時(shí) 線圈停止轉(zhuǎn)動(dòng) 且有i 因此由電流表指針的偏轉(zhuǎn)角度可得電流大小 且電流表刻度是均勻的 2006 12 16 第三部分磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用 一 洛侖茲力 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力 1 大小 f洛 bqv v為電荷相對(duì)b的速度 當(dāng)b v時(shí) 電荷不受洛侖茲力 當(dāng)b v時(shí) 電荷所受洛侖茲力最大 當(dāng)b與v成 角時(shí) f洛 bqvsin 2 方向 用左手定則判斷 注意 四指的方向?yàn)檎姾傻倪\(yùn)動(dòng)方向 或負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向 3 特點(diǎn) 洛侖茲力始終與電荷運(yùn)動(dòng)方向垂直 只改變速度的方向 而不改變速度的大小 所以洛侖茲力不做功 4 洛侖茲力與安培力的關(guān)系 洛侖茲力是安培力的微觀表現(xiàn) 安培力是洛侖茲力的宏觀體現(xiàn) 步步高p183應(yīng)用1 1 2006 12 17 2 運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直 做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 洛侖茲力提供向心力 軌道半徑 二 帶電粒子 不計(jì)重力 在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 1 運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向平行 做勻速直線運(yùn)動(dòng) 圓心 半徑 運(yùn)動(dòng)時(shí)間的確定 圓心的確定 a 兩個(gè)速度方向垂直線的交點(diǎn) 常用在有界磁場(chǎng)的入射與出射方向已知的情況下 隨堂 步步高p184應(yīng)用2 1 o 2006 12 18 b 一個(gè)速度方向的垂直線和一條弦的中垂線的交點(diǎn) o 半徑的確定 應(yīng)用幾何知識(shí)來確定 運(yùn)動(dòng)時(shí)間 c 粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的角度關(guān)系 例1 如圖所示帶正電的粒子以速度v垂直磁場(chǎng)邊界進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng) 試分析粒子的運(yùn)動(dòng)情況 若粒子進(jìn)入磁場(chǎng)的速度方向與邊界成 角 則運(yùn)動(dòng)情況又將如何 單邊界 2006 12 19 應(yīng)用1 2001上海物理 如圖所示 在y 0的區(qū)域內(nèi)存在勻強(qiáng)磁場(chǎng) 磁場(chǎng)方向垂直于xy平面并指向紙面外 磁感應(yīng)強(qiáng)度為b 一帶正電的粒子以速度v0從o點(diǎn)射入磁場(chǎng) 入射方向在xy平面內(nèi) 與x軸正向的夾角為 若粒子射出磁場(chǎng)時(shí)的位置與o點(diǎn)的距離為l 求該粒子的電量和質(zhì)量之比q m 2 1999年全國(guó) 一個(gè)負(fù)離子 質(zhì)量為m 電量大小為q 以速率v垂直于屏s經(jīng)過小孔o(hù)射入存在著勻強(qiáng)磁場(chǎng)的真空室中 如圖所示 磁感應(yīng)強(qiáng)度b的方向與離子的運(yùn)動(dòng)方向垂直 并垂直于圖中紙面向里 1 求離子進(jìn)入磁場(chǎng)后到達(dá)屏s上時(shí)的位置與o點(diǎn)的距離 2 如果離子進(jìn)入磁場(chǎng)后經(jīng)過時(shí)間t到達(dá)位置p 證明 直線op與離子入射方向之間的夾角 跟t的關(guān)系是 qbt 2m 2006 12 20 例2 垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)僅限于寬度為d的條形區(qū)域內(nèi) 磁感應(yīng)強(qiáng)度為b 一個(gè)質(zhì)量為m 電量為q的粒子以一定的速度垂直于磁場(chǎng)邊界方向從a點(diǎn)垂直飛入磁場(chǎng)區(qū) 如圖所示 當(dāng)它飛離磁場(chǎng)區(qū)時(shí) 運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn) 角 試求粒子的運(yùn)動(dòng)速度v以及在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t 雙邊界 2006 12 21 應(yīng)用 2004天津理綜 釷核發(fā)生衰變生成鐳核并放出一個(gè)粒子 設(shè)該粒子的質(zhì)量為m 電荷量為q 它進(jìn)入電勢(shì)差為u的帶窄縫的平行平板電極s1和s2間電場(chǎng)時(shí) 其速度為v0 經(jīng)電場(chǎng)加速后 沿0 x方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為b 方向垂直紙面向外的有界勻強(qiáng)磁場(chǎng) ox垂直平板電極s2 當(dāng)粒子從p點(diǎn)離開磁場(chǎng)時(shí) 其速度方向與ox方向的夾角 60 如圖所示 整個(gè)裝置處于真空中 1 寫出釷核衰變方程 2 求粒子在磁場(chǎng)中沿圓弧運(yùn)動(dòng)的軌道半徑r 3 求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所用時(shí)間t 2006 12 22 例3 步步高p184例1 圓形邊界 例4 步步高p184例2 矩形邊界 應(yīng)用 2002全國(guó)理綜 電視機(jī)的顯像管中 電子束的偏轉(zhuǎn)是用磁偏轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的 電子束經(jīng)過電壓為u的加速電場(chǎng)后 進(jìn)入一圓形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū) 如圖所示 磁場(chǎng)方向垂直于圓面 磁場(chǎng)區(qū)的中心為o 半徑為r 當(dāng)不加磁場(chǎng)時(shí) 電子束將通過o點(diǎn)而打到屏幕的中心m點(diǎn) 為了讓電子束射到屏幕邊緣p 需要加磁場(chǎng) 使電子束偏轉(zhuǎn)一已知角度 此時(shí)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度b應(yīng)為多少 2006 12 23 例5 如圖所示 在一環(huán)行區(qū)域內(nèi)存在著垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 在圓心o點(diǎn)處有一靜止的鐳核 22688ra 鐳核 22688ra 放出一個(gè)粒子后變成氡核 22286rn 已知鐳核在衰變過程中有5 65 10 12j能量轉(zhuǎn)化為它們的動(dòng)能 粒子進(jìn)入磁場(chǎng)后受到洛侖茲力的大小為2 22 10 11n 1 試寫出鐳核衰變成氡核的核反應(yīng)方程 2 分別求出粒子和氡核的動(dòng)能 3 分別求出粒子和氡核進(jìn)入磁場(chǎng)后的偏轉(zhuǎn)半徑 4 若內(nèi)圓半徑r 1 2m 要使它們不飛出外圓 外圓的最小半徑必須為多大 圓環(huán)形邊界 例6 洛侖茲力作用下的非勻速圓周運(yùn)動(dòng) 步步高p185例3 2006 12 24 例1 如圖所示 在x軸上方有垂直于xoy平面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 磁感應(yīng)強(qiáng)度為b 在x軸下方有沿y軸負(fù)方向的勻強(qiáng)電場(chǎng) 場(chǎng)強(qiáng)為e 一質(zhì)量為m 電量為 q的粒子從坐標(biāo)原點(diǎn)o沿著y軸正方向射出 射出之后第三次到達(dá)x軸時(shí) 它與點(diǎn)o的距離為l 求此粒子射出時(shí)的速度v和運(yùn)動(dòng)的總路程s 不計(jì)重力 第四部分帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 1 復(fù)合場(chǎng)是指電場(chǎng) 磁場(chǎng) 重力場(chǎng)并存 或其中某兩種場(chǎng)并存 帶電粒子在這些場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)要考慮電場(chǎng)力 洛侖茲力和重力或其中某兩種力的作用 2 帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問題實(shí)際上是一個(gè)力學(xué)問題 應(yīng)根據(jù)研究力學(xué)問題的思路運(yùn)用力學(xué)規(guī)律求解 2006 12 25 例2 如圖 在xoy平面內(nèi) 第i象限內(nèi)有勻強(qiáng)電場(chǎng) 場(chǎng)強(qiáng)大小為e 方向沿y軸正方向 在x軸正下方有勻強(qiáng)磁場(chǎng) 磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為b 方向垂直紙面向里 今有一質(zhì)量為m 電量為e的電子 不計(jì)重力 從y軸上的p點(diǎn)以初速度v0垂直于電場(chǎng)方向進(jìn)入電場(chǎng) 經(jīng)電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后 沿著與x軸成450進(jìn)入磁場(chǎng) 并能返回原出發(fā)點(diǎn)p 1 說明電子的運(yùn)動(dòng)情況 并作出電子運(yùn)動(dòng)軌跡的示意圖 2 求p點(diǎn)離坐標(biāo)原點(diǎn)的距離h 3 電子從p點(diǎn)出發(fā)經(jīng)過多長(zhǎng)時(shí)間第一次返回到p點(diǎn) 450 450 2006 12 26 例3 如圖 兩個(gè)共軸的圓筒形金屬電極 外電極接地 其上均勻分布著平行于軸線的四條狹縫a b c和d 外筒的外半徑為r0 在圓筒之外的足夠大區(qū)域中有平行于軸線方向的均勻磁場(chǎng) 磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為b 在兩極間加上電壓 使兩圓筒之間的區(qū)域內(nèi)有沿半徑向外的電場(chǎng) 一質(zhì)量為m 帶電量為 q的粒子 從緊靠?jī)?nèi)筒且正對(duì)狹縫a的s點(diǎn)出發(fā) 初速為零 當(dāng)該粒子經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)之后恰好又回到出發(fā)點(diǎn)s 則兩電極之間的電壓u應(yīng)是多少 不計(jì)重力 整個(gè)裝置在真空中 2006 12 27 例4 如圖所示 在相互垂直的水平勻強(qiáng)電場(chǎng)和水平勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 有一豎直固定絕緣桿mn 小球p套在桿上 已知p的質(zhì)量為m 電量為q p與桿間的動(dòng)摩擦因數(shù)為 電場(chǎng)強(qiáng)度為e 磁感應(yīng)強(qiáng)度為b 小球由靜止起開始下滑 設(shè)電場(chǎng) 磁場(chǎng)區(qū)域足夠大 桿足夠長(zhǎng) 求 1 當(dāng)下滑加速度為最大加速度一半時(shí)的速度 2 當(dāng)下滑速度為最大下滑速度一半時(shí)的加速度 隨堂 步步高p188例1 例2 例3 2006 12 28 3 帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的典型問題 1 質(zhì)譜儀 2 速度選擇器 3 加速器 直線加速器 回旋加速器 4 磁流體發(fā)電機(jī) 電磁流量計(jì) 霍爾效應(yīng) 磁強(qiáng)計(jì) 2006 12 29 例 2001年全國(guó)理綜 下圖是測(cè)量帶電粒子質(zhì)量的儀器工作原理示意圖 設(shè)法使某有機(jī)化合物的氣態(tài)分子導(dǎo)入圖中所示的容器a中 使它使受到電子束轟擊 失去一個(gè)電子變成為正一價(jià)的分子離子 分子離子從狹縫s1以很小的速度進(jìn)入電壓u的加速電場(chǎng)區(qū) 初速不計(jì) 加速后 再通過狹縫s2 s3射入磁感強(qiáng)度為b的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 方向垂直于磁場(chǎng)區(qū)的界面pq 最后 分子離子打到感光片上 形成垂直于紙面且平行于狹縫s3的細(xì)線 若測(cè)得細(xì)線到狹縫s3的距離為d 導(dǎo)出分子離子的質(zhì)量m的表達(dá)式 2006 12 30 任何一個(gè)存在正交電場(chǎng)的磁場(chǎng)的空間都可看作速度選擇器 速度選擇器只選擇速度而不選擇粒子的種類 只要v e b 粒子就能沿直線勻速通過選擇器 而與粒子的電性 電荷量 質(zhì)量無關(guān) 不計(jì)重力 如圖所示 在平行金屬板間有勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng) 方向如圖 有一束正電荷沿中心線方向水平射入 卻分成三束分別由a b c三點(diǎn)射出 問可以確定的是這三束帶電粒子的什么物理量不相同 重力不計(jì) 2006 12 31 例 2004江蘇物理 湯姆生用來測(cè)定電子的比荷 電子的電荷量與質(zhì)量之比 的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示 真空管內(nèi)的陰極k發(fā)出的電子 不計(jì)初速 重力和電子間的相互作用 經(jīng)加速電壓加速后 穿過a 中心的小孔沿中心軸o1o的方向進(jìn)入到兩塊水平正對(duì)放置的平行極板p和p 間的區(qū)域 當(dāng)極板間不加偏轉(zhuǎn)電壓時(shí) 電子束打在熒光屏的中心o點(diǎn)處 形成了一個(gè)亮點(diǎn) 加上偏轉(zhuǎn)電壓u后 亮點(diǎn)偏離到o 點(diǎn) o 與o點(diǎn)的豎直間距為d 水平間距可忽略不計(jì) 此時(shí) 在p和p 間的區(qū)域 再加上一個(gè)方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為b時(shí) 亮點(diǎn)重新回到o點(diǎn) 已知極板水平方向的長(zhǎng)度為l1 極板間距為b 極板右端到熒光屏的距離為l2 如圖所示 1 求打在熒光屏o點(diǎn)的電子速度的大小 2 推導(dǎo)出電子的比荷的表達(dá)式 2006 12 32 回旋加速器 步步高p190第1 4題 2006 12 33 磁流體發(fā)電機(jī) 電磁流量計(jì) 霍爾效應(yīng) 磁強(qiáng)計(jì) 磁流體發(fā)電機(jī) 進(jìn)入磁場(chǎng)的粒子帶正 負(fù)電荷 當(dāng)eq bqv時(shí)兩板間電勢(shì)差達(dá)到最大 電磁流量計(jì) 流動(dòng)的導(dǎo)電液體含有正 負(fù)離子 u bdv 流量指單位時(shí)間內(nèi)流過的體積 q sv 當(dāng)液體內(nèi)的自由電荷所受電場(chǎng)力與洛侖茲力相等時(shí) a b間的電勢(shì)差穩(wěn)定 步步高p189例4 霍爾效應(yīng) 磁強(qiáng)計(jì) 導(dǎo)體中通過電流時(shí) 在運(yùn)動(dòng)的電荷為電子 帶負(fù)電 當(dāng)電子所受