高中物理竞赛 第9部分《磁场》教案 新人教版.docx

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高中物理竞赛第9部分《磁场》教案新人教版

2019-2020年高中物理竞赛第9部分《磁场》教案新人教版

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-Savartlaw）：

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为与的夹角）。

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

由于总垂直与确定的平面，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、与成一般夹角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→0（在图9-10中，为了说明问题，θ被夸大了），弧形导体可视为直导体，其受到的安培力F=BIL，其两端受到的张力设为T，则T的合力

ΣT=2Tsin

再根据平衡方程和极限=0，即可求解T。

方法二：

隔离线圈的一半，根据弯曲导体求安培力的定式和平衡方程即可求解…

【答案】BIR。

〖说明〗如果安培力不是背离圆心而是指向圆心，内张力的方向也随之反向，但大小不会变。

〖学员思考〗如果圆环的电流是由于环上的带正电物质顺时针旋转而成（磁场仍然是进去的），且已知单位长度的电量为λ、环的角速度ω、环的总质量为M，其它条件不变，再求环的内张力。

〖提示〗此时环的张力由两部分引起：

①安培力，②离心力。

前者的计算上面已经得出（此处I==ωλR），T1=BωλR2；

后者的计算必须应用图9-10的思想，只是F变成了离心力，方程2T2sin=Mω2R，即T2=。

〖答〗BωλR2+。

【例题3】如图9-11所示，半径为R的圆形线圈共N匝，处在方向竖直的、磁感强度为B的匀强磁场中，线圈可绕其水平直径（绝缘）轴OO′转动。

一个质量为m的重物挂在线圈下部，当线圈通以恒定电流I后，求其静止时线圈平面和磁场方向的夹角。

【解说】这是一个应用安培力矩定式的简单问题，解题过程从略

【答案】arctg。

二、带电粒子在匀强磁场中的运动

【例题4】电子质量为m、电量为q，以初速度v0垂直磁场进入磁感强度为B的匀强磁场中。

某时刻，电子第一次通过图9-12所示的P点，θ为已知量，试求：

（1）电子从O到P经历的时间；

（2）O→P过程洛仑兹力的冲量。

【解说】圆周运动的基本计算。

解题过程从略。

值得注意的是，洛仑兹力不是恒力，故冲量不能通过定义式去求，而应根据动量定理求解。

【答案】

（1）；

（2）2mv0sinθ。

【例题5】如图9-13所示，S是粒子源，只能在纸面上的360°范围内发射速率相同、质量为m、电量为q的电子。

MN是一块足够大的挡板，与S相距=L。

它们处在磁感强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，试求：

（1）要电子能到达挡板，其发射速度至少应为多大？

（2）若发射速率为，则电子击打在挡板上的范围怎样？

【解说】第一问甚简，电子能击打到挡板的临界情形是轨迹与挡板相切，此时rmin=；

在第二问中，先求得r=L，在考查各种方向的初速所对应的轨迹与挡板相交的“最远”点。

值得注意的是，O点上方的最远点和下方的最远点并不是相对O点对称的。

【答案】

（1）；

（2）从图中O点上方距O点L处到O点下方距O点L处的范围内。

【例题6】如图9-14甲所示，由加速电压为U的电子枪发射出的电子沿x方向射入匀强磁场，要使电子经过x下方距O为L且∠xOP=θ的P点，试讨论磁感应强度B的大小和方向的取值情况。

【解说】以一般情形论：

电子初速度v0与磁感应强度B成任意夹角α，电子应做螺旋运动，半径为r=，螺距为d=，它们都由α、B决定（v0=是固定不变的）。

我们总可以找到适当的半径与螺距，使P点的位置满足L、θ的要求。

电子运动轨迹的三维展示如图9-14乙所示。

如果P点处于（乙图中）螺线轨迹的P1位置，则α=θ，B∥；如果P点处于P2或P3位置，则α≠θ，B与成一般夹角。

对于前一种情形，求解并不难——只要解L=kd（其中k=1，2，3，…）方程即可；而对后一种情形，要求出B的通解就难了，这里不做讨论。

此外，还有一种特解，那就是当B⊥时，这时的解法和【例题4】就完全重合了。

【答案】通解不定。

当B∥时，B=（其中k=1，2，3，…）；当B⊥时，B=。

〖问题存疑〗两个特解能不能统一？

三、带电粒子在电磁复合场中的运动

一般考虑两种典型的复合情形：

B和E平行，B和E垂直。

对于前一种情形，如果v0和B（E）成θ角，可以将v0分解为v0τ和v0n，则在n方向粒子做匀速圆周运动，在τ方向粒子做匀加速运动。

所以，粒子的合运动是螺距递增（或递减）的螺线运动。

对于后一种情形（垂直复合场），难度较大，必须起用动力学工具和能量（动量）工具共同求解。

一般结论是，当v0和B垂直而和E成一般夹角时，粒子的轨迹是摆线（的周期性衔接）。

【例题7】在三维直角坐标中，沿+z方向有磁感强度为B的匀强磁场，沿−z方向有电场强度为E的匀强电场。

在原点O有一质量为m、电量为−q的粒子（不计重力）以正x方向、大小为v的初速度发射。

试求粒子再过z轴的坐标与时间。

【解说】过程甚简，粒子运动情形见图9-15。

【答案】z=，t=。

（其中k=1，2，3，…）

【例题8】在相互垂直的匀强电、磁场中，E、B值已知，一个质量为m、电量为+q的带电微粒（重力不计）无初速地释放，试定量寻求该粒子的运动规律。

【解说】在相互垂直的电、磁场中，粒子受力的情形非常复杂，用运动的分解与合成的手段也有相当的困难，必须用到一些特殊的处理方法。

鉴于粒子只能在垂直B的平面内运动，可以在该平面内建立如图9-16所示的直角坐标。

在这个坐标中，从以下四个角度考查粒子运动的定量规律——

（1）电场方向的最大位移Y

能量关系qEY=m①

在x方向上用动量定理，有

t=mvP②

且=qB③

（注意t=Y）

解①②③式可得Y=

（2）轨迹顶点P的曲率半径r

在P点有动力学关系qvPB−qE=m，而vP在第

（1）问中已经求得。

可解出：

r=

（3）垂直电场方向的“漂移”速度

针对O→P过程，y方向有动力学关系Σ=m

即qE−=m，即qE−qB=m。

而==0

所以=

*（4）粒子从O到P做经历的时间t

解法一：

摆线亦称旋轮线，是由轮子在水平面无滑滚动时轮子边缘形成的轨迹（如图9-17所示）。

在本题的E、B叠加场中，可以认为“轮子”的旋转是由洛仑兹力独立形成的。

而从O到P的过程，轮子转动的圆心角应为π，故对应时间为t==。

解法二：

参照摆线方程

x=a（t−sint）

y=a（1−cost）

得到xP=πa=π=。

再根据t==/

所以t=。

【答案】略。

【评说】在垂直复合场中，寻求能量关系比较容易，但动力学关系（或动量关系）只能启用平均的思想，这也是一种特殊的处理方法。

四、束缚问题

带电实物受到斜面、绳子或杆子的束缚，在电、磁场中的运动问题称为束缚问题。

束缚问题涉及的受力情形复杂，且常常伴随边界条件的讨论，因此有更大的挑战性。

【例题9】单摆的摆长为L，摆球带电+q，放在匀强磁场中，球的摆动平面跟磁场垂直，最大摆角为α。

为使其能正常摆动，磁场的磁感强度B值有何限制？

【解说】这是第九届初试题，解题的关键所在是要分析清楚：

小球“最有可能脱离圆弧”的点是否一定在最低点？

…下面的定量讨论完成之后，我们将会发现：

这个答案是否定的。

针对某个一般位置P，设方位角θ（如图9-18所示），如果小球没有离开圆弧，可以列出——

动力学方程：

T+qvB−mgcosθ=m①

从O到P过程，能量方程：

mgL（cosθ−cosα）=mv2②

小球不离开圆弧的条件是：

T≥0③

解①②③式易得B≤

〖学员活动〗请求出函数y=的极小值…

☆解法备考：

对于正数a、b，有a+b≥2

而y=

=3+

考虑到θ、α的实际取值情况，3和均为正数，所以，y≥2

即ymin=2☆

磁感应强度取值的一般结论为：

B≤2。

但此结论还有讨论的空间——

因为极值点的条件是：

=，即cosθ=cosα。

显然，只有当cosα＜时（即最大摆角α较大时），极值点才可取，上面的“一般结论”才成立；物理意义：

小球“最有可能脱离圆弧”的点不在最低点。

而当α过小，cosα＞时，θ无解，极值点不可达，此时应寻求y=函数（在定义域内）的最小值。

这个最值的寻求相对复杂一些，具体过程如下——

广义的y虽然是先减后增，但它的自变量是而非θ，因α是定值，故y也可以认为是随着cosθ的增大而先减后增，如图9-19所示。

当极值点不可达时（图中虚线所示），图线应落在左边的一段实线（因为α过小，cosα过大，理论极值点过大，cosθ达不到），函数为减函数。

当cosθ最大时，y有最小值。

所以，当cosθ=1时（此时θ=0，小球在最低点），最小值ymin=；物理意义：

小球“最有可能脱离圆弧”的点在最低点。

【答案】当α≥arccos时，B≤2；

当α＜arccos时，B≤。

——第九部分完——

2019-2020年高中物理：

1.7匀变速直线运动的规律学案教科版必修1

1.关于平均速度公式=

这是一个非常有用的公式，使用该公式常可大大简化解题过程.但该公式只适用于匀变速直线运动情况，在非匀变速运动中，≠.这一点可由v-t图象给以说明.v-t图线的斜率大小等于加速度的大小，v-t图线和时间轴所围面积即等于物体运动的位移.

图3-1-15

对匀变速直线运动，其v-t图象为一直线，如图3-1-15实线所示.其在时间t内的位移大小即等于图中梯形面积（图中阴影部分）.由几何知识知位移s=S梯形=t,即平均速度=.

对变加速直线运动，其v-t图应为一条曲线，如图3-1-15中虚线所示.显然在时间t内位移大小（图中曲边梯形面积）S′=S曲边梯形＞t，即其平均速度＞.另由图象知，当某变速运动的v-t图线向下弯曲时，其时间t内的平均速度=.

对于公式=不仅适用于v0、vt同向的情况，同时也适用于v0、vt反向的情况，但此时，公式中的v0、vt都应连同符号代入.

2.在匀减速直线运动中，应注意的两种情况

（1）对于可往复的匀减速直线运动，要灵活运用其速率对称性和时间对称性，还应注意答案是否存在多解等.

（2）对不可往复的匀减速直线运动，应注意其运动时间是有限制的，即t≤v0/|a|，超过此范围，物体已不再运动.

3.物体运动中v-t和s-t图象不是物体的运动轨迹

物体运动的v-t图象和s-t图象分别表示物体运动的速度和位移随时间变化的规律，与物体运动的轨迹无任何直接联系.例如对匀变速直线运动而言，其轨迹为直线，但其s-t图线却因s是t的二次函数而为曲线，因此，在用图象法处理运动学问题时，千万不要把s-t或v-t图象中的直线或曲线误认为是物体运动的轨迹.

4.防止超速的奇招

汽车在行驶中遇到紧急情况就要刹车，学习了匀变速直线运动规律我们知道，刹车过程的长短与汽车行驶时的速度有直接的关系，高速行驶的汽车很难在短时间内刹车.在现代生活中超速驾车狂奔已成为一大公害.每分钟在全世界都有车祸发生.设计汽车的人们绞尽脑汁提高刹车性能：

提高轮胎与路面的动摩擦因数，虽然收到一定效果，但车祸仍未减少.有些人就在减少汽车的行驶速度上下工夫.

马来西亚柔佛州山川秀丽，景色优美，路边竖着不少交通牌和安全标语：

“阁下，驾驶汽车不超过30英里，可以饱览本地美丽景色；超过60英里，请到法庭做客；超过80英里，欢迎光临本地最先进的医院；超过100英里，请君安息吧！

”文字幽默，苦口婆心，十分引人注意.

德国交通管理部门对超速行驶者不采取通常的罚金和制裁手段，而是将车扣住，停在停车场，由警察用车子把司机送到离城10千米以外的荒郊野岭，让他步行返回，以示惩戒.

墨西哥城的交通管理人员在公路边立了不少告示牌，牌上用大字写着：

“请司机小心，如果超速，本城一无医院，二无医生，三无药品.”

据说，美国有一个地方，在公路拐弯处立一旗飘曳，上画一位美丽动人的年轻女郎；下写：

“我喜欢开慢车.”立起这块牌子后，此处真没有出过交通事故.

北京郊区公路上常见蓝色三角标志，上画撞车图形，并写着“前方300m处为事故多发地段”。

上述这些告示牌，言语不多，述之以理，晓之以情，使司机不要开快车.车速慢，刹车过程所用时间短，所用位移短.易于刹车，易于控制，真是减少交通事故的一种好方法.