題目列表(包括答案和解析)
第十部分 磁場
第一講 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 = 1.0×10?7N/A2 。應(yīng)用畢薩定律再結(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 = 2πkI
；
*畢薩定律應(yīng)用在“無限長”螺線管內(nèi)部的結(jié)論：B = 2πknI 。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 = BILsinθ再結(jié)合“左手定則”解決方向問題（θ為B與L的夾角）。
b、彎曲導(dǎo)體的安培力
⑴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的大小為
F = 
= BI
= BI
關(guān)于F的方向，由于ΔFF2P∽ΔMNO，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ΔPMO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。）
⑵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——
⑴增加匝數(shù)至N ，則 M = NBIS ；
⑵轉(zhuǎn)軸平移，結(jié)論不變（證明從略）；
⑶線圈形狀改變，結(jié)論不變（證明從略）；
*⑷磁場平行線圈平面相對原磁場方向旋轉(zhuǎn)α角，則M = BIScosα ，如圖9-3；
證明：當(dāng)α = 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Bcosα才能產(chǎn)生力矩…
⑸磁場B垂直O(jiān)O′軸相對線圈平面旋轉(zhuǎn)β角，則M = BIScosβ ，如圖9-4。
證明：當(dāng)β = 90°時，顯然M = 0 ，而磁場是可以分解的，只有平行線圈平面的的分量Bcosβ才能產(chǎn)生力矩…
說明：在默認的情況下，討論線圈的轉(zhuǎn)矩時，認為線圈的轉(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 = qvBsinθ再結(jié)合左、右手定則確定方向（其中θ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的負功的代數(shù)和為零）。（事實上，由于電子定向移動速率v1在10?5m/s數(shù)量級，而v2一般都在10?2m/s數(shù)量級以上，致使f1只是f的一個極小分量。）
☆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θ時，做等螺距螺旋運動，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θ極小，各粒子做螺旋運動時可以認為螺距彼此相等（半徑可以不等），故所有粒子會“聚焦”在熒光屏上的P點。
4、回旋加速器
a、結(jié)構(gòu)&原理（注意加速時間應(yīng)忽略）
b、磁場與交變電場頻率的關(guān)系
因回旋周期T和交變電場周期T′必相等，故 
=
c、最大速度 vmax = 
= 2πRf
5、質(zhì)譜儀
速度選擇器&粒子圓周運動，和高考要求相同。
第二講 典型例題解析
一、磁場與安培力的計算
【例題1】兩根無限長的平行直導(dǎo)線a、b相距40cm，通過電流的大小都是3.0A，方向相反。試求位于兩根導(dǎo)線之間且在兩導(dǎo)線所在平面內(nèi)的、與a導(dǎo)線相距10cm的P點的磁感強度。
【解說】這是一個關(guān)于畢薩定律的簡單應(yīng)用。解題過程從略。
【答案】大小為8.0×10?6T ，方向在圖9-9中垂直紙面向外。
【例題2】半徑為R ，通有電流I的圓形線圈，放在磁感強度大小為B 、方向垂直線圈平面的勻強磁場中，求由于安培力而引起的線圈內(nèi)張力。
【解說】本題有兩種解法。
方法一：隔離一小段弧，對應(yīng)圓心角θ ，則弧長L = θR 。因為θ →
一個小燈泡的額定電壓為2.0V。額定電流約為0.5A，選用下列實驗器材進行實驗，并利用實驗數(shù)據(jù)描繪和研究小燈泡的伏安特性曲線．
A.電源E：電動勢為3.0V，內(nèi)阻不計；
B.電壓表V1：量程為0~3V，內(nèi)阻約為1
C.電壓表V2：量程為0~15V，內(nèi)阻約為4
D.電流表
：量程為0~3A，內(nèi)阻約為0.1
；
E.電流表
：量程為0~0.6A，內(nèi)阻約為0.6；
F.滑動變阻器R1：最大阻值為l0Ω，額定電流為0.6A；
G.滑動變阻器R2：最大阻值為l5Ω，額定電流為1.0A；
H.滑動變阻器R3：最大阻值為l50Ω，額定電流為1.0A；
I.開關(guān)S，導(dǎo)線若干．
實驗得到如下數(shù)據(jù)（I和U分別表示通過小燈泡的電流和加在小燈泡兩端的電壓）：
| I/A | 0.00 | 0.12 | 0.21 | 0.29 | 0.34 | 0.38 | 0.42 | 0.45 | 0.47 | 0.49 | 0.50 |
| U/V | 0.00 | 0.20 | 0.40 | 0.60 | 0.80 | 1.00 | 1.20 | 1.40 | 1.60 | 1.80 | 2．00 |
曲線．的電池兩端，則小燈泡的實際 功率約為 （保留兩位有效數(shù)字）．
現(xiàn)有一個阻值為10.0 Ω的定值電阻、一個電鍵、若干根導(dǎo)線和一個電壓表，該電壓表盤面上有刻度但無刻度值，要求設(shè)計一個能測量某電源內(nèi)阻的實驗方案．(已知電壓表內(nèi)阻很大，電壓表量程大于電源電動勢，電源內(nèi)阻約為幾歐姆)
(1)在下面的方框中畫出實驗電路圖．
|
|
(2)簡要寫出完成接線后的實驗步驟．
(3)寫出用測得的量計算電源內(nèi)阻的表達式r＝________.
【解析】：電壓表指針偏轉(zhuǎn)角度與通過電壓表的電流，或者與加在電壓表兩端的電壓成正比，因此表盤面無刻度值也可以用格數(shù)的多少表示電壓的大小，當(dāng)斷開電鍵時，電壓表偏轉(zhuǎn)格數(shù)N1表示電源電動勢的大�。婃I閉合時，N2表示R兩端電壓，根據(jù)閉合電路歐姆定律，＝，得r＝R.
現(xiàn)有一個阻值為10.0 Ω的定值電阻、一個電鍵、若干根導(dǎo)線和一個電壓表，該電壓表盤面上有刻度但無刻度值，要求設(shè)計一個能測量某電源內(nèi)阻的實驗方案．(已知電壓表內(nèi)阻很大，電壓表量程大于電源電動勢，電源內(nèi)阻約為幾歐姆)
(1)在下面的方框中畫出實驗電路圖．
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(2)簡要寫出完成接線后的實驗步驟．
(3)寫出用測得的量計算電源內(nèi)阻的表達式r＝________.
【解析】：電壓表指針偏轉(zhuǎn)角度與通過電壓表的電流，或者與加在電壓表兩端的電壓成正比，因此表盤面無刻度值也可以用格數(shù)的多少表示電壓的大小，當(dāng)斷開電鍵時，電壓表偏轉(zhuǎn)格數(shù)N1表示電源電動勢的大�。婃I閉合時，N2表示R兩端電壓，根據(jù)閉合電路歐姆定律，＝，得r＝R.
【2012•上海質(zhì)檢】“熱磁振蕩發(fā)電技術(shù)”是新能源研究領(lǐng)域的最新方向，當(dāng)應(yīng)用于汽車等可移動的動力設(shè)備領(lǐng)域時，會成為氫燃料電池的替代方案。它通過對處于磁路中的一段軟磁體迅速加熱并冷卻，使其溫度在其臨界點上下周期性地振蕩，引起磁路線圈中的磁通量周期性地增減，從而感應(yīng)出連續(xù)的交流電。它的技術(shù)原理是物理原理。假設(shè)兩足夠長的光滑金屬導(dǎo)軌豎直放置，相距為L，如圖6所示，一導(dǎo)線與兩導(dǎo)軌相連，磁感應(yīng)強度的大小為B的勻強磁場與導(dǎo)軌平面垂直。一電阻為R、質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒在距磁場上邊界h處靜止釋放．導(dǎo)體棒進入磁場后速度減小，最終穩(wěn)定時離磁場上邊緣的距離為H．整個運動過程中，導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌接觸良好，且始終保持水平，不計導(dǎo)軌的電阻。下列說法正確的是（ ）
A．整個運動過程中回路的最大電流為
B．整個運動過程中導(dǎo)體棒產(chǎn)生的焦耳熱為
C．整個運動過程中導(dǎo)體棒克服安培力所做的功為
D．整個運動過程中回路電流的功率為
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