第一章安培力與洛倫茲力

第一章安培力與洛倫茲力1磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力一、安培力的方向1．安培力：通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受的力．2．左手定則：伸開左手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi)；讓磁感線從掌心垂直進(jìn)入，并使四指指向電流的方向，這時(shí)拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力的方向．3．安培力方向與磁場(chǎng)方向、電流方向的關(guān)系：F⊥B，F(xiàn)⊥I，即F垂直于B與I所決定的平面．4．安培力方向的特點(diǎn)安培力的方向既垂直于電流方向，也垂直于磁場(chǎng)方向，即垂直于電流I和磁場(chǎng)B所決定的平面．(1)當(dāng)電流方向跟磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，安培力的方向、磁場(chǎng)方向和電流方向兩兩相互垂直．應(yīng)用左手定則判斷時(shí)，磁感線從掌心垂直進(jìn)入，拇指、其余四指和磁感線三者兩兩垂直．(2)當(dāng)電流方向跟磁場(chǎng)方向不垂直時(shí)，安培力的方向仍垂直于電流方向，也垂直于磁場(chǎng)方向．應(yīng)用左手定則判斷時(shí)，磁感線斜著穿入掌心．5．判斷安培力方向的步驟(1)明確研究對(duì)象；(2)用安培定則或根據(jù)磁體的磁場(chǎng)特征，畫出研究對(duì)象所在位置的磁場(chǎng)方向；(3)由左手定則判斷安培力方向．6．應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用左手定則和安培定則可以判定平行通電直導(dǎo)線間的作用力：同向電流相互吸引，反向電流相互排斥．二、安培力的大小1．垂直于磁場(chǎng)B的方向放置的長為l的通電導(dǎo)線，當(dāng)通過的電流為I時(shí)，所受安培力為F＝IlB.2．當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與電流方向成θ角時(shí)，公式F＝IlBsin_θ.3．公式F＝IlBsinθ中B對(duì)放入的通電導(dǎo)線來說是外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，不必考慮導(dǎo)線自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)外加磁場(chǎng)的影響．4．公式F＝IlBsinθ中θ是B和I方向的夾角(1)當(dāng)θ＝90°時(shí)，即B⊥I，sinθ＝1，公式變?yōu)镕＝IlB.(2)當(dāng)θ＝0°時(shí)，即B∥I，F(xiàn)＝0.5．公式F＝IlBsinθ中l(wèi)指的是導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的“有效長度”，彎曲導(dǎo)線的有效長度l，等于連接兩端點(diǎn)直線的長度(如圖1所示)；相應(yīng)的電流沿導(dǎo)線由始端流向末端．圖1推論：對(duì)任意形狀的閉合平面線圈，當(dāng)線圈平面與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，線圈的有效長度l＝0，故通電后線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中所受安培力的矢量和一定為零，如圖2所示．圖2三、磁電式電流表1．原理：安培力與電流的關(guān)系．通電線圈在磁場(chǎng)中受到安培力而偏轉(zhuǎn)，線圈偏轉(zhuǎn)的角度越大，被測(cè)電流就越大．根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向，可以知道被測(cè)電流的方向．2．構(gòu)造：磁體、線圈、螺旋彈簧、指針、極靴．3．特點(diǎn)：極靴與鐵質(zhì)圓柱間的磁場(chǎng)沿半徑方向，線圈無論轉(zhuǎn)到什么位置，它的平面都跟磁感線平行，且線圈左右兩邊所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等．4．優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，可以測(cè)出很弱的電流．缺點(diǎn)：線圈的導(dǎo)線很細(xì)，允許通過的電流很弱．2磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力一、洛倫茲力的方向和大小1．洛倫茲力(1)定義：運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力．(2)與安培力的關(guān)系：通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)．2．洛倫茲力的方向左手定則：伸開左手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi)，讓磁感線從掌心垂直進(jìn)入，并使四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向，這時(shí)拇指所指的方向就是運(yùn)動(dòng)的正電荷在磁場(chǎng)中所受洛倫茲力的方向．負(fù)電荷受力的方向與正電荷受力的方向相反．3．洛倫茲力的大小(1)當(dāng)v與B成θ角時(shí)，F(xiàn)＝qvBsinθ.(2)當(dāng)v⊥B時(shí)，F(xiàn)＝qvB.(3)當(dāng)v∥B時(shí)，F(xiàn)＝0.二、電子束的磁偏轉(zhuǎn)1．顯像管的構(gòu)造：如圖1所示，由電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈和熒光屏組成．圖12．顯像管的原理(1)電子槍發(fā)射高速電子．(2)電子束在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)．(3)熒光屏被電子束撞擊時(shí)發(fā)光．3．掃描：在偏轉(zhuǎn)區(qū)的水平方向和豎直方向都有偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其方向、強(qiáng)弱都在不斷變化，使得電子束打在熒光屏上的光點(diǎn)從上向下、從左向右不斷移動(dòng)．三、帶電體在洛倫茲力作用下的運(yùn)動(dòng)1．帶電體在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中速度變化時(shí)洛倫茲力的大小往往隨之變化，并進(jìn)一步導(dǎo)致彈力、摩擦力的變化，帶電體將在變力作用下做變加速運(yùn)動(dòng)．2．利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和平衡條件分析各物理量的動(dòng)態(tài)變化時(shí)要注意彈力為零的臨界狀態(tài)，此狀態(tài)是彈力方向發(fā)生改變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)．3帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)一、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)1．若v∥B，帶電粒子以速度v做勻速直線運(yùn)動(dòng)，其所受洛倫茲力F＝0.2．若v⊥B，此時(shí)初速度方向、洛倫茲力的方向均與磁場(chǎng)方向垂直，粒子在垂直于磁場(chǎng)方向的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)．(1)洛倫茲力與粒子的運(yùn)動(dòng)方向垂直，只改變粒子速度的方向，不改變粒子速度的大?。?2)帶電粒子在垂直于磁場(chǎng)的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力．二、帶電粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑和周期1．由qvB＝meq\f(v2,r)，可得r＝eq\f(mv,qB).2．由r＝eq\f(mv,qB)和T＝eq\f(2πr,v)，可得T＝eq\f(2πm,qB).帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期與軌道半徑和運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)．三、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)1．圓心的確定圓心位置的確定通常有以下兩種基本方法：(1)已知入射方向和出射方向時(shí)，可以過入射點(diǎn)和出射點(diǎn)作垂直于入射方向和出射方向的直線，兩條直線的交點(diǎn)就是圓弧軌道的圓心(如圖甲所示，P為入射點(diǎn)，M為出射點(diǎn))．(2)已知入射方向和出射點(diǎn)的位置時(shí)，可以過入射點(diǎn)作入射方向的垂線，連線入射點(diǎn)和出射點(diǎn)，作其中垂線，這兩條垂線的交點(diǎn)就是圓弧軌道的圓心(如圖乙所示，P為入射點(diǎn)，M為出射點(diǎn))．2．半徑的確定半徑的計(jì)算一般利用幾何知識(shí)解直角三角形．做題時(shí)一定要作好輔助線，由圓的半徑和其他幾何邊構(gòu)成直角三角形．由直角三角形的邊角關(guān)系或勾股定理求解．3．粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間的確定(1)粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間為T，當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的圓弧所對(duì)應(yīng)的圓心角為α?xí)r，其運(yùn)動(dòng)時(shí)間t＝eq\f(α,360°)T(或t＝eq\f(α,2π)T)．確定圓心角時(shí)，利用好幾個(gè)角的關(guān)系，即圓心角＝偏向角＝2倍弦切角．(2)當(dāng)v一定時(shí)，粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t＝eq\f(l,v)，l為帶電粒子通過的弧長．4質(zhì)譜儀與回旋加速器一、質(zhì)譜儀1．質(zhì)譜儀構(gòu)造：主要構(gòu)件有加速電場(chǎng)、偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和照相底片．2．運(yùn)動(dòng)過程(如圖1)圖1(1)帶電粒子經(jīng)過電壓為U的加速電場(chǎng)加速，qU＝eq\f(1,2)mv2.(2)垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，r＝eq\f(mv,qB)，可得r＝eq\f(1,B)eq\r(\f(2mU,q)).3．分析：從粒子打在底片D上的位置可以測(cè)出圓周的半徑r，進(jìn)而可以算出粒子的比荷．二、回旋加速器1．回旋加速器的構(gòu)造：兩個(gè)D形盒，兩D形盒接交流電源，D形盒處于垂直于D形盒的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖.2．工作原理(1)電場(chǎng)的特點(diǎn)及作用特點(diǎn)：兩個(gè)D形盒之間的窄縫區(qū)域存在周期性變化的電場(chǎng)．作用：帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時(shí)被加速，粒子的動(dòng)能增大，qU＝ΔEk.(2)磁場(chǎng)的特點(diǎn)及作用特點(diǎn)：D形盒處于與盒面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中．作用：帶電粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，從而改變運(yùn)動(dòng)方向，半個(gè)圓周后再次進(jìn)入電場(chǎng)。粒子在一個(gè)D形盒中運(yùn)動(dòng)半個(gè)周期，運(yùn)動(dòng)至狹縫進(jìn)入電場(chǎng)被加速．磁場(chǎng)中qvB＝meq\f(v2,r)，r＝eq\f(mv,qB)∝v，因此加速后的軌跡半徑要大于加速前的軌跡半徑．(3)粒子獲得的最大動(dòng)能若