高中物理競賽講義-磁場基本知識介紹

1、磁場基本知識介紹磁場部分在奧賽考剛中的考點很少，和高考要求的區(qū)別不是很大，只是在兩處有深化：a、電流的磁場引進定量計算；b、對帶電粒子在復(fù)合場中的運動進行了更深入的分析。一、磁場與安培力1、磁場a、永磁體、電流磁場磁現(xiàn)象的電本質(zhì)b、磁感強度、磁通量c、穩(wěn)恒電流的磁場*畢奧-薩伐爾定律（Biot-Savart law）：對于電流強度為I 、長度為dI的導(dǎo)體元段，在距離為r的點激發(fā)的“元磁感應(yīng)強度”為dB 。矢量式d= k，（d表示導(dǎo)體元段的方向沿電流的方向、為導(dǎo)體元段到考查點的方向矢量）；或用大小關(guān)系式dB = k結(jié)合安培定則尋求方向亦可。其中 k = 1.0×107N/A2 。應(yīng)用畢

2、薩定律再結(jié)合矢量疊加原理，可以求解任何形狀導(dǎo)線在任何位置激發(fā)的磁感強度。畢薩定律應(yīng)用在“無限長”直導(dǎo)線的結(jié)論：B = 2k ；*畢薩定律應(yīng)用在環(huán)形電流垂直中心軸線上的結(jié)論：B = 2kI ；*畢薩定律應(yīng)用在“無限長”螺線管內(nèi)部的結(jié)論：B = 2knI 。其中n為單位長度螺線管的匝數(shù)。2、安培力a、對直導(dǎo)體，矢量式為 = I；或表達為大小關(guān)系式 F = BILsin再結(jié)合“左手定則”解決方向問題（為B與L的夾角）。b、彎曲導(dǎo)體的安培力整體合力折線導(dǎo)體所受安培力的合力等于連接始末端連線導(dǎo)體（電流不變）的的安培力。證明：參照圖9-1，令MN段導(dǎo)體的安培力F1與NO段導(dǎo)體的安培力F2的合力為F，則F的

3、大小為F = = BI = BI關(guān)于F的方向，由于FF2PMNO，可以證明圖9-1中的兩個灰色三角形相似，這也就證明了F是垂直MO的，再由于PMO是等腰三角形（這個證明很容易），故F在MO上的垂足就是MO的中點了。證畢。由于連續(xù)彎曲的導(dǎo)體可以看成是無窮多元段直線導(dǎo)體的折合，所以，關(guān)于折線導(dǎo)體整體合力的結(jié)論也適用于彎曲導(dǎo)體。（說明：這個結(jié)論只適用于勻強磁場。）導(dǎo)體的內(nèi)張力彎曲導(dǎo)體在平衡或加速的情形下，均會出現(xiàn)內(nèi)張力，具體分析時，可將導(dǎo)體在被考查點切斷，再將被切斷的某一部分隔離，列平衡方程或動力學(xué)方程求解。c、勻強磁場對線圈的轉(zhuǎn)矩如圖9-2所示，當(dāng)一個矩形線圈（線圈面積為S、通以恒定電流I）放入勻

4、強磁場中，且磁場B的方向平行線圈平面時，線圈受安培力將轉(zhuǎn)動（并自動選擇垂直B的中心軸OO，因為質(zhì)心無加速度），此瞬時的力矩為M = BIS幾種情形的討論增加匝數(shù)至N ，則 M = NBIS ；轉(zhuǎn)軸平移，結(jié)論不變（證明從略）；線圈形狀改變，結(jié)論不變（證明從略）；*磁場平行線圈平面相對原磁場方向旋轉(zhuǎn)角，則M = BIScos ，如圖9-3；證明：當(dāng) = 90°時，顯然M = 0 ，而磁場是可以分解的，只有垂直轉(zhuǎn)軸的的分量Bcos才能產(chǎn)生力矩磁場B垂直O(jiān)O軸相對線圈平面旋轉(zhuǎn)角，則M = BIScos ，如圖9-4。證明：當(dāng) = 90°時，顯然M = 0 ，而磁場是可以分解的，只有

5、平行線圈平面的的分量Bcos才能產(chǎn)生力矩說明：在默認(rèn)的情況下，討論線圈的轉(zhuǎn)矩時，認(rèn)為線圈的轉(zhuǎn)軸垂直磁場。如果沒有人為設(shè)定，而是讓安培力自行選定轉(zhuǎn)軸，這時的力矩稱為力偶矩。二、洛侖茲力1、概念與規(guī)律a、 = q，或展開為f = qvBsin再結(jié)合左、右手定則確定方向（其中為與的夾角）。安培力是大量帶電粒子所受洛侖茲力的宏觀體現(xiàn)。b、能量性質(zhì)由于總垂直與確定的平面，故總垂直 ，只能起到改變速度方向的作用。結(jié)論：洛侖茲力可對帶電粒子形成沖量，卻不可能做功。或：洛侖茲力可使帶電粒子的動量發(fā)生改變卻不能使其動能發(fā)生改變。問題：安培力可以做功，為什么洛侖茲力不能做功？解說：應(yīng)該注意“安培力是大量帶電粒子所

6、受洛侖茲力的宏觀體現(xiàn)”這句話的確切含義“宏觀體現(xiàn)”和“完全相等”是有區(qū)別的。我們可以分兩種情形看這個問題：（1）導(dǎo)體靜止時，所有粒子的洛侖茲力的合力等于安培力（這個證明從略）；（2）導(dǎo)體運動時，粒子參與的是沿導(dǎo)體棒的運動v1和導(dǎo)體運動v2的合運動，其合速度為v ，這時的洛侖茲力f垂直v而安培力垂直導(dǎo)體棒，它們是不可能相等的，只能說安培力是洛侖茲力的分力f1 = qv1B的合力（見圖9-5）。很顯然，f1的合力（安培力）做正功，而f不做功（或者說f1的正功和f2的負(fù)功的代數(shù)和為零）。（事實上，由于電子定向移動速率v1在105m/s數(shù)量級，而v2一般都在102m/s數(shù)量級以上，致使f1只是f的一個

7、極小分量。）如果從能量的角度看這個問題，當(dāng)導(dǎo)體棒放在光滑的導(dǎo)軌上時（參看圖9-6），導(dǎo)體棒必獲得動能，這個動能是怎么轉(zhuǎn)化來的呢？若先將導(dǎo)體棒卡住，回路中形成穩(wěn)恒的電流，電流的功轉(zhuǎn)化為回路的焦耳熱。而將導(dǎo)體棒釋放后，導(dǎo)體棒受安培力加速，將形成感應(yīng)電動勢（反電動勢）。動力學(xué)分析可知，導(dǎo)體棒的最后穩(wěn)定狀態(tài)是勻速運動（感應(yīng)電動勢等于電源電動勢，回路電流為零）。由于達到穩(wěn)定速度前的回路電流是逐漸減小的，故在相同時間內(nèi)發(fā)的焦耳熱將比導(dǎo)體棒被卡住時少。所以，導(dǎo)體棒動能的增加是以回路焦耳熱的減少為代價的。2、僅受洛侖茲力的帶電粒子運動a、時，勻速圓周運動，半徑r = ，周期T = b、與成一般夾角時，做等螺距

8、螺旋運動，半徑r = ，螺距d = 這個結(jié)論的證明一般是將分解（過程從略）。但也有一個問題，如果將分解（成垂直速度分量B2和平行速度分量B1 ，如圖9-7所示），粒子的運動情形似乎就不一樣了在垂直B2的平面內(nèi)做圓周運動？其實，在圖9-7中，B1平行v只是一種暫時的現(xiàn)象，一旦受B2的洛侖茲力作用，v改變方向后就不再平行B1了。當(dāng)B1施加了洛侖茲力后，粒子的“圓周運動”就無法達成了。（而在分解v的處理中，這種局面是不會出現(xiàn)的。）3、磁聚焦a、結(jié)構(gòu)：見圖9-8，K和G分別為陰極和控制極，A為陽極加共軸限制膜片，螺線管提供勻強磁場。b、原理：由于控制極和共軸膜片的存在，電子進磁場的發(fā)散角極小，即速度和磁場的夾角極小，各粒子做螺旋運動時可以認(rèn)為螺距彼此相等（半徑可以不等），故所有粒