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物理选修31内容完整归纳 高中物理选修3-1 1 物理选修3-1内容完整归纳 第一章 电场 一、电场基本规律 1、电荷守恒定律：电荷既不会创生，也不会消灭，它只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分，在转移过程中，电荷的总量保持不变。 三种带电方式：摩擦起电，感应起电，接触起电。 元电荷：最小的带电单元，任何带电体的带电量都是元电荷的整数倍，e=1.6×10-19C密立根测得e的值。 2、库伦定律：定律内容：真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的平方成反比，作用力的方向在它们的连线上。 kQQF=122r表达式： k=9.0×109N·m2/C2静电力常量 适用条件：真空中静止的点电荷。 二、电场 力的性质： 1、电场的基本性质：电场对放入其中的电荷有力的作用。 2、电场强度E：定义：电荷在电场中某点受到的电场力F与电荷的带电量q的比值，就叫做E=Fq E与F、q无关，只由电场本身决定。 该点的电场强度。定义式：电场强度是矢量：大小：在数值上为单位电荷受到的电场力。 方向：规定正电荷受力方向，负电荷受力与E的方向相反。 单位：N/C,V/m 1N/C=1V/m 其他的电场强度公式 kQE=2rQ场源电荷 1点电荷的场强公式：2匀强电场场强公式：E=Udd沿电场方向两点间距离 场强的叠加：遵循平行四边形法则 3、电场线：意义：形象直观描述电场强弱和方向的理想模型，实际上是不存在的 电场线的特点： 1电场线起于正电荷，止于负电荷 2不封闭，不相交，不相切。3沿电场线电势降低，且电势降低最快。一条电场线无法判断场强大小，可以判断电势高低。 4电场线垂直于等势面，静电平衡导体，电场线垂直于导体表面 几种特殊电场的电场线 E 三、电场 能的性质 1、电场能的基本性质：电荷在电场中移动，电场力要对电荷做功。 2、电势能Ep：定义：电荷在电场中，由于电场和电荷间的相互作用，由位置决定的能量。电荷在某点的电势能等于电场力把电荷从该点移动到零势能位置时所做的功。 定义式：EpA=WA0带正负号计算 特点： 1电势能具有相对性，相对零势能面而言，通常选大地或无穷远处为零势能面。 2电势能的变化量Ep与零势能面的选择无关。 2 3、电势：定义：电荷在电场中某一点的电势能Ep与电荷量的比值。 =Epq单位：伏带正负号计算 定义式：特点： 1电势具有相对性，相对参考点而言。但电势之差与参考点的选择无关。 2电势是一个标量，但是它有正负，正负只表示该点电势比参考点电势高，还是低。 3电势的大小由电场本身决定，与Ep和q无关。 4电势在数值上等于单位正电荷由该点移动到零势点时电场力所做的功。 电势高低的判断方法 1根据电场线判断：沿着电场线方向电势降低。A>B A B 2根据电势能判断： 正电荷：电势能大，电势高；电势能小，电势低。 负电荷：电势能大，电势低；电势能小，电势高。 结论：只在电场力作用下，静止的电荷从电势能高的地方向电势能低的地方运动。 4、电势差UAB定义：电场中两点间的电势之差。也叫电压。 定义式：UAB=A-B 特点： 1电势差是标量，却有正负，只表示起点和终点的电势谁高谁低。 2单位：伏 3电场中两点的电势差是确定的，与零势面的选择无关 4U=Ed匀强电场中两点间的电势差计算公式。电势差与电场强度之间的关系。 5、电场力做功WAB ：电场力做功的特点：电场力做功与路径无关，只与初末位置有关，即与初末位置的电势差有关。 表达式：WAB=UABq带正负号计算 WAB=Eqdd沿电场方向的距离。匀强电场 电场力做功与电势能的关系 WAB=-Ep=EpA-EPB 结论：电场力做正功，电势能减少 无条件结论 电场力做负功，电势能增加 6、等势面：定义：电势相等的点构成的面。 特点：1等势面上各点电势相等，在等势面上移动电荷，电场力不做功。 2等势面与电场线垂直3两等势面不相交4等势面的密集程度表示场强的大小：疏弱密强。 5画等势面时，相邻等势面间的电势差相等。 判断非匀强电场线上两点间的电势差的大小：靠近场源的两点间的电势差大于远离场源相等距离两点间的电势差。 若AB=BC，则UAB>UBC A B C 7、静电平衡状态：定义：导体内不再有电荷定向移动的稳定状态 特点：1处于静电平衡状态的导体，内部场强处处为零。 2感应电荷在导体内任何位置产生的电场都等于外电场在该处场强大小相等，方向相反。 3处于静电平衡状态的整个导体是个等势体，导体表面是个等势面。 4电荷只分布在导体的外表面，与导体表面的弯曲程度有关，越弯曲，电荷分布越多。 A S 四、电容器及其应用：1、电容器充放电过程： B 充电过程S-A：电源的电能转化为电容器的电场能 L 放电过程S-B：电容器的电场能转化为其他形式的能 2、电容：物理意义：表示电容器容纳电荷本领的物理量。 定义：电容器所带电量Q与电容器两极板间电压U的比值就叫做C 3 电容器的电容。 C=定义式：QU是定义式不是决定式 C=eS4pkd是电容的决定式 单位：法拉F，微法F，皮法pF 1pF=10-6F=10-12F 特点：1电容器的电容C与Q和U无关，只由电容器本身决定。 2电容器的带电量Q是指一个极板带电量的绝对值。 3电容器始终与电源相连，则电容器的电压不变。 电容器充电完毕，再与电源断开，则电容器的带电量不变。 4在有关电容器问题的讨论中，经常要用到以下三个公式和3的结论联合使用进行判断 C=QeSUC=E=U 4pkd d 41H），电子，粒子，氘He）,氕 111、基本粒子不计重力，但不是不计质量，如质子，氚 带电微粒、带电油滴、带电小球一般情况下都要计算重力。 2、平衡问题：电场力与重力的平衡问题。mg=Eq 3、加速问题 由牛顿第二定律解释，带电粒子在电场中加速运动，只受v=2Eqd=m2Uqm 2Uqm U 1mv2-0=Uqv=由动能定理解释，2，可见加速的末速度与两板间的距离d无关，只与两板间的电压有关，但是粒子在电场中运动的时间不一样，d越大，飞行时间越长。 4、偏转问题类平抛运动 在垂直电场线的方向：粒子做速度为v0匀速直线运动。 平行电场线的方向：粒子做初速度为0、加速度为a的匀加速直线运动。 带电粒子若不计重力，则在竖直方向粒子的加速度 a=EqUq=mmd 带电粒子做类平抛的水平距离，若能飞出电场水平距离为L，若不能飞出电场则水平距离为x 带电粒子飞行的时间：t=x/v0=L/v01 粒子要能飞出电场则：yd/22 L y=粒子在竖直方向做匀加速运动：12at23 v0 y vy v0 v 4 粒子在竖直方向的分速度:vy=atvy4 tanq=粒子出电场的速度偏角：由12345可得： v05 vy=飞 行 时间：t=L/vO 竖直分速度：UqLmdv0 UqLUqL2tanq=y=22mvd 2mvd00侧向偏移量： 偏向角：L v U1 L y v0 vy v y tanq=飞 行 时间：t=L/vO 偏向角：U2L2U1d U2L(L+2L¢)U2L2y=4U1d4U1d 侧向偏移量： 在这种情况下，一束粒子中各种不同的粒子的运动轨迹相同。即不同粒子的侧移量，偏向角都相同，但它们飞越偏转电场的时间不同，此时间与加速电压、粒子电量、质量有关。 如果在上述例子中粒子的重力不能忽略时，只要将加速度a重新求出即可，具体计算过程相同。 第二章 恒定电流 电流 1、电流的一层含义 大量自由电荷定向移动形成电流的现象； 物体中有大量的自由电荷是形成电流的内因，电压是形成电流的外因。 2、电流的另一层含义 意义：表示电流强弱的物理量 定义：通过导体横截面的电荷量q跟通过这些电荷量所用时间的比值叫电流。 公式： 单位：安培 毫安 微安 是标量，方向规定：正电荷定向移动的方向为电流的方向 方向不随时间而改变的电流叫直流电：方向和强弱都不随时间而改变的电流叫恒定电流。 3、电流的微观表达式：I=nqSv n单位体积内电荷数 q自由电荷量 S导体的横截面 5 v电荷定向移动的速率 4、导线中的电场：导线中的电场是两部分电荷共同作用的结果，其一是电源正、负极产生的电场，可以将该电场分解为两个方向：沿导线方向的分量使只有电子沿导线做定向移动，形成电流；垂直导线方向的分量使自由电子向导线的某一侧聚集，从而使导线的两侧出现正、负净电荷分布。这些电荷分布产生附加电场，该电场将削弱电源两极产生的垂直导线方向的电场，直到使导线中该方向合场强为零，而达到动态平衡状态。此时导线内的电场线保持与导线平行，自由电子只存在定向移动。 电动势 1、电源：通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置。 2、电动势在数值上等于非静电力把1C的正电荷在电源内从负极移动到正极所做的功 3、表达式： 4、内阻：电源内部也是由导体组成，这个电阻叫做电源的内阻。 欧姆定律 内容：导体中的电流I跟导体两端的电压U成正比，跟导体的电阻R成反比,即金属导体和电解液，不适用于气体导电）。 电阻定律：导体的电阻R跟它的长度l成正比，跟它的横截面积S成反比。 是反映材料导电性能的物理量，叫材料的电阻率。单位是·m。 纯金属的电阻率小，合金的电阻率大。 材料的电阻率与温度有关系： 金属的电阻率随温度的升高而增大铂较明显，可用于做温度计；锰铜、镍铜的电阻率几乎不随温度而变，可用于做标准电阻。 半导体的电阻率随温度的升高而减小。 有些物质当温度接近0 K时，电阻率突然减小到零这种现象叫超导现象。能够发生超导现象的物体叫超导体。材料由正常状态转变为超导状态的温度叫超导材料的转变温度TC。我国科学家在XX年把TC提高到130K。现在科学家们正努力做到室温超导。 注意：公式R是电阻的定义式，而R=是电阻的决定式。R与U成正比或R与I成反比的说法是错误的，导体的电阻大小由长度、截面积及材料决定，一旦导体给定，即使它两端的电压U0，它的电阻仍然存在。 6 电功和电热 1、电功： 电流流过导体，导体内的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，在驱使自由电荷定向运动的过程中，电场力对自由电荷做了功，简称为电功。电功是电能转化为其他形式能的量度。其计算公式：W=qU，W=UIt，W=Pt是普适公式而W=I2Rt和，只适用于纯电阻电路的运算。单位：1度=1千瓦时=3.6×106焦耳。 2、电热：Q=I2Rt是焦耳通过多次实验得到的，是电能转化为热能的定量计算公式。变形公式：。 3、电功和电热的关系：WQ 4、电流通过做功，电能全部转化为热能的电路叫纯电阻电路；电能只有一部分转化 为内能，而大部分转化为机械能、化学能等的电路叫非纯电阻电路. 电功率和热功率 1、电功率： 电功率是描述电流做功快慢的物理量。由功率公式P=W/t得P=UIt/t=UI，这两个公式是普适公式，而P=I2R，P=2、电热功率： 只适用于纯电阻电路。 电热功率是描述电流做功产生电热快慢程度的物理量。由功率。 3、电功率和电热功率的关系：PPQ. 4、额定功率和实际功率. 额定功率：指用电器正常工作时的功率，当用电器两端电压达到额定电压时，电流也达到额定电流，功率达到额定功率。 实际功率：指用电器在实际电压下电流做功的功率，只有当实际电压等于额定电压时，实际功率才等于额定功率。 在忽略R的变化时，有如下关系： 串联电路的特点 1、电流：串联电路中电流强度处处相等：I=I1=I2=I3. 2、电压：串联电路两端的总电压等于各串联导体两端的电压之和。 U=U1U2U3. 3、电阻：串联电路的总电阻等于各串联导体的电阻之和。 7 R=R1R2R3. 4、分压原理：串联电路中的电阻起分压作用，电压的分配与电阻成正比。 U1U2U3=IR1IR2IR3=R1R2R3 5、电功率、电功：串联电路中的电功率、电功与电阻成正比。 P1P2P3=I2R1I2R2I2R3=R1R2R3 W1W2W3=I2R1tI2R2tI2R3t=R1R2R3 并联电路的特点 1、电流：并联电路中干路中的总电流等于各支路中电流之和。 I=I1I2I3. 2、电压：并联电路中，各支路两端的电压都相等。 U1=U2=U3=U 3、电阻：并联电路中，总电阻的倒数，等于各支路电阻的倒数之和. . 4、分流原理：并联电路中的电阻起分流作用，电流的分配与电阻成反比。 I1I2I3= 5、电功率、电功：并联电路中各支路中的电功率、电功与电阻成反比。 P1P2P3= W1W2W3= 混联电路 1、解决混联电路的方法是： 求混联电路的等效电路； 运用欧姆定律和串、并联电路的特点进行计算。 2、画等效电路图即是等效替代的方法；对复杂电路进行等效变换的一般原则是： 无阻导线可缩成一点，一点也可以延展成无阻导线； 无电流的支路化简时可以去掉； 电势相同的点可以合并； 理想电流表可以认为短路，理想的电压表可认为断路，电压稳定时，电容器处可认为断路。 闭合电路欧姆定律 1、电源电动势：电源是把其他形式的能转化为电能的装置。电动势是表征电源把其他形式的能量转换成电能的本领大小的物理量；电动势的大小由电源本身的性质决定，数值等于电路中通过1C电量时电源所提供的能量，也等于电源没有接入电路时两极间的电压；电动势是标量，方向规定为由电8 源的负极经电源内部到正极的方向为电源电动势的方向。 2、闭合电路欧姆定律 闭合电路由电源的内部电路和电源的外部电路组成，也可叫含电源电路、全电路。 在闭合电路里，内电路和外电路都适用部分电路的欧姆定律，设电源的内阻为r，外电路的电阻为R，那么电流I通过内阻时在电源内部的电压降U内=Ir，电流流过外电阻时的电压降为U外=IR，由U外U内=E，得。该式反映了闭合电路中电流强度与电源的电动势成正比，与整个电路的电阻成反比，即为闭合电路欧姆定律，适用条件是外电路为纯电阻电路。 3、路端电压与负载变化的关系 路端电压与外电阻R的关系： 其关系用UR图象可表示为： 路端电压与电流的关系 U=EIr 其关系用UI图象可表示为 当R=时，即开路，当R=0时，即短路， 其中，r=|tg|. 4、闭合电路中的功率 电源的总功率P总=IE 电源的输出功率P输=IU 电源内部损耗的功率：P损=I2r 由能量守恒有：IE=IUI2r 外电路为纯电阻电路时： 9 由上式可以看出： 即当R=r时， 此时电源效率为： 当R>r时，随R的增大输出功率减小。 当R<r时，随R的增大输出功率增大。 当时，每个输出功率对应2个可能的外电阻R1和R2，且 二）“串反并同”定则：在外电路为混联的闭合电路中，讨论因某一电阻发生变化引起电路中各参量的变化时，可采用以下简单的方法：“串反并同”，当某一电阻发生变化时，与它串联的电路上的电流、电压、功率必发生与其变化趋势相反的变化；与它并联的电路上的电流、电压、功率必发生与其变化趋势相同的变化。 含电容器的电路分析：有电容器连接的电路，当电路电压达到稳定时，电容器当断路处理，它两端的电压等于它并联部分的电阻的两端电压。通常是先不考虑电容器，画出等效电路，再安上电容器，电容器在恒定电流中可等效为“电压表”。找出“电压表”的读数及变化，再由Q=CU求解。 电表的改装 1、电流表：把表头G改装成电流表，即把表头的量程Ig扩大到电流表的量程I，这时应并联一个电阻R，起分流作用。 若电流表的扩大倍数为，由并联电路的特点得： 电流表的内阻： 2、电压表：把表头G改装成电压表，即把表头的量程Ug扩大到量程U，应串联一个电阻起分压作用。 10 若电压表的扩大倍数为，由串联电路的特点得： 电压表的内阻为：RV=RRg=nRg 量程：U=nUg=IgRV 电阻的测量 1、伏安法测电阻的两种电路形式 2、实验电路的选择 测量未知电阻的原理是R，由于测量所需的电表实际上是非理想的，所以在测量未知电阻两端电压U和通过的电流I时，必然存在误差，即系统误差，要在实际测量中有效地减少这种由于电表测量所引起的系统误差，必须依照以下原则： 若，一般选电流表的内接法。如图所示。由于该电路中，电压表的读数U表示被测电阻Rx与电流表A串联后的总电压，电流表的读数I表示通过本身和Rx的电流，所以使用该电路所测电阻R测RxRA，比真实值Rx大了RA，相对误差a 若，一般选电流表外接法。如图所示。由于该电路中电压表的读数U表示Rx两端电压，电流表的读数I表示通过Rx与RV并联电路的总电流，所以使用该电流所测电阻 R测也比真实值Rx略小些，相对误差a. 滑动变阻器的使用 1、滑动变阻器的限流接法与分压接法的特点 如图所示的两种电路中，滑动变阻器对负载RL的电压、电流强度都起控制调节作用，通常把图电路称为限流接法，图电路称为分压接法. 11 限流接法 EULE 分压接法 0ULE 比较 分压电路调节范围较大 0IL负载RL上电压调节范围 围 总功率 EIL IL E 分压电路调节范围较大 限流电路能耗较小 其中，在限流电路中，通RL的电流IL=，当R0RL时IL主要取决于R0的变化，当R0RL时，IL主要取决于RL，特别是当R0<<RL时，无论怎样改变R0的大小，也不会使IL有较大变化.在分压电路中，不论R0的大小如何，调节滑动触头P的位置，都可以使IL有明显的变化. 2、滑动变阻器的限流接法与分压接法的选择方法 滑动变阻器以何种接法接入电路，应遵循安全性、精确性、节能性、方便性原则综合考虑，灵活择取. 下列三种情况必须选用分压式接法 要求回路中某部分电路电流或电压实现从零开始可连续调节时，即大范围内测量时，必须采用分压接法. 当用电器的电阻RL远大于滑动变阻器的最大值R0，且实验要求的电压变化范围较大时，必须采用分压接法.因为按图连接时，因RL>>R0Rap，所以RL与Rap的并联值R并Rap，而整个电路的总阻约为R0，那么RL两端电压UL=IR并=·Rap，显然ULRap，且Rap越小，这种线性关系越好，电表的变化越平稳均匀，越便于观察和操作. 若采用限流接法，电路中实际电压的最小值仍超过RL的额定值时，只能采用分压接法. 下列情况可选用限流式接法 测量时电路电流或电压没有要求从零开始连续调节，只是小范围内测量，且RL与R0接近或RL略小于R0，采用限流式接法. 电源的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小，不能满足分压式接法的要求时，采用限流式接法. 没有很高的要求，仅从安全性和精确性角度分析两者均可采用时，可考虑安装简便和节能因素采用限流式接法. 万用电表的使用 1、使用步骤及注意事项： 12 使用前应看一下指针是否指在刻度盘左端的零刻线处。如果不在，就应该进行机械调零：用小螺丝刀轻旋表头正下方中央处的调零螺丝，使指针指左端零刻线。 根据被测物理量及其数量级将选择开关旋到相应的位置。读数时还要注意选用刻度盘上对应的量程刻度。 使用欧姆挡时，在选好倍率后，还必须进行欧姆调零。方法是：将红、黑表笔短接，调节欧姆调零旋钮，使指针指右端零刻线处。因此用多用电表的欧姆挡测电阻的操作步骤是： 选挡。一般比被测电阻的估计值低一个数量级，如估计值为200就应该选×10的倍率。 进行欧姆调零。 将红黑表笔接被测电阻两端进行测量。 将指针示数乘以倍率，得测量值。 将选择开关扳到OFF或交流电压最高挡。 用欧姆挡测电阻，如果指针偏转角度太小，应该增大倍率重新调零后再测；如果指针偏转角度太大，应该减小倍率重新调零后再测。 使用多用电表时，两只手只能握住表笔的绝缘棒部分，不能接触表笔上的金属部分。 2、欧姆表测电阻 原理是闭合电路欧姆定律. 当红、黑表笔之间接入某一电阻Rx时，通过欧姆表的电流为 若I=0，则Rx=；I=Ig时，Rx=0。 欧姆表刻度具有反向性和非线性特点，表盘刻度不均匀. . 当， 13 表盘中值电阻，中值电阻一定，表盘刻度就唯一确定. 欧姆表中的电池用久了，电动势和内阻都要发生变化，只能用来粗略测量电阻. 测定电池的电动势和内阻 1、实验原理 如图(1)所示电路，改变电阻R，从电压表和电流表可测出几组U、I值，利用闭合电路欧姆定律可以求出E、r 2、数据处理 测出两组U、I值，列方程组可解出E、r 图象法处理数据，测出多组(不少于6组) 、I值，在I直角坐标系中标出各点，画出I图象，如图(2)所示，图象的纵截距为E，横截距为短路电流， 图象法比较好地利用各组测量数据，并能排除奇异点，能够减小偶然误差 3、误差分析： 由于电流表和电压表不是理想电表，就会带来一定的系统误差，下面分别分析电流表内接和外接两种情况下的系统误差 (1)如图(3)所示，电流表接在了外边，电压表所测为电源的外电压，而电流表读数比流过电源的电流值要小，测量存在系统误差 电压表的读数越大，值与真实值相同 14 越大，电流表的测量误差也越大，如图(4)所示，短路时，0，测量 由图象可知， 定量分析： 此函数式的纵截距为： 斜率的绝对值为： 当r时， (2)如图(5)所示，电流表接在了里边，电流表所测的电流为流过电源的电流，电压表所测电压比路端电压小 ，电压表读数的误差随着增加，UI图象如图(6)所示，r 当电路中电流增加时，测量值图线比较陡，E， 由等效电路可知，一般安培表的内阻与r接近，所以这种方法测出的内阻误差较15 大 简单的逻辑电路 逻辑关系 与门：仅当输入信号A和B均为1时，输出信号Z才为1。 真值表 输入 A 0 1 1 符号 输出 Z 0 0 0 1 输出 Z 0 1 1 1 输出 Z 1 0 B 1 0 1 B 0 1 0 1 0 或门：输入信号A和B只要有一个为1或者均为1时，输出信号Z为1。 输入 A 0 0 1 1 非门：输入信号A为1，则输出信号为0；输入信号A为0，输出信号为1。 输入 A 0 1 第三章 磁场 1、磁场 磁场是存在于磁极或电流周围空间里的一种特殊的物质，磁场和电场一样，都是“场形态物质”。 磁场的方向：物理学规定，在磁场中的任一点，小磁针北极受力的方向，亦即小磁针静止时北极所指的方向，就是那一点磁场的方向。 磁场的基本性质：磁场对处在它里面的磁极或电流有磁场力的作用。磁极和磁极之间、磁场和电流之间、电流和电流之间的相互作用都是通过磁场来传递的。 2、磁感线 磁感线：是形象地描述磁场而引入的有方向的曲线。在曲线上，每一点切线方向都在该点的磁场方向上，曲线的疏密反映磁场的强弱。 磁感线的特点： a.磁感线是闭合的曲线，磁体的磁感线在磁体外部由N极到S极，内部由S极到N极。 b.任意两条磁感线不能相交。 3、几种常见磁场的磁感线的分布 条形磁铁和碲形磁铁的磁感线 条形磁铁和蹄形磁铁是两种最常见的磁体，如图所示的是这两种磁体在平面内的磁感线形状，其实它们的磁感线分布在整个空间内，而且磁感线是闭合的，它们的内部都有磁感线分布。 16 通电直导线磁场的磁感线 通电直导线磁场的磁感线的形状与分布如图所示，通电直导线磁场的磁感线是一组组以导线上各点为圆心的同心圆。 需要指出的是，通电直导线产生的磁场是不均匀的，越靠近导线，磁场越强，磁感线越密。电流的方向与磁感线方向的关系可以用安培定则来判断，如图所示。用右手握住直导线，伸直的大拇指与电流方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向。 环形电流磁场的磁感线 环形电流磁场的磁感线是一些围绕环形导线的闭合曲线，在环形的中心轴上，由对称性可知，磁感线是与环形导线的平面垂直的一条直线。如图甲所示，环形电流方向与磁感线方向的关系也可以用右手定则来判断，如图乙所示，让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致，伸直的大拇指所指的方向就是圆环轴线上磁感线的方向；如图丙所示，让右手握住部分环形导线，伸直的大拇指与电流方向一致，则四指所指的方向就是围绕环形导线的磁感线的方向。 通电螺线管的磁感线 通电螺线管表现出来的磁性很像一根条形磁铁，一端相当于北极，另一端相当于南极，形成的磁感线在通电螺线管的外部从北极出来进入南极，通电螺线管内部具有磁场，磁感线方向与管轴线平行，方向都是由S极指向N极，并与外部磁感线连接形成一些闭合曲线，其方向也可用安培定则判断，用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致，那么大拇指所指的方向就是螺线管内部磁感线的方向，如图所示。 地磁场的磁感线 地磁场的南北极与地理上的南北极刚好相反，所以磁感线从地理的南极出来进入地理的北极 17 4、磁感应强度 定义：在匀强磁场中，垂直于磁场方向放置的通电直导线，所受的安培力F跟电流强度I和导线长度L的乘积之比，叫做通电导线所在处的磁感应强度，即场本身决定，与所放置的电流I和导线长度L均无关。 ，磁感应强度B只是由磁 单位：特斯拉，简称特，符号是T，。 磁感应强度是描述磁场的力的性质的物理量。磁感应强度是矢量，其方向就是该点的磁场方向。 5、匀强磁场 如果磁场的某一区域里，磁感应强度的大小和方向处处相同，这个区域的磁场叫做匀强磁场，距离很近的两个异名磁极之间的磁场，通电螺线管内部的磁场都可以看成是匀强磁场。匀强磁场的磁感线为相互平行，等间距的平行线。 6、安培力的大小和方向 定义：磁场对通电导线的作用力叫安培力。 大小：当通电导线与磁场方向垂直放置时，安培力最大，为F=BIL。当通电导线与磁场方向平行放置时，安培力最小，为零。当通电导线与磁场方向成其他任意角放置时，安培力介于最大值和最小值之间。 方向：安培力的方向可以用左手定则来判断。安培力方向垂直磁场方向，垂直电流方向，即垂直于电流方向和磁场方向决定的平面。 三、重难点知识剖析 1、磁感线是闭合曲线 磁感线与电场线不同，在磁体外部是从N极指向S有，磁体内部则从S极指向N极，从而形成闭合曲线。 2、安培定则 用安培定则判断通电线圈的磁感线时，拇指指向为线圈内部的磁感线方向，其外部与此方向相反。 3、磁感应强度 磁感应强度是描述磁场的物理量，由磁场自身决定，与是否放入检验电流无关。 磁感应强度是矢量，其方向就是该点磁场方向。当磁场叠加时，磁感应强度矢量合成。 4、安培力 安培力的大小不仅与B、I、L的大小有关，还与电流方向与磁场方向间的夹角有关。 当通电直导线与磁场方向垂直时，通电导线所受安培力最大，这时安培力F=BIL。 当两者平行最小为零，对于电流方向与磁场方向成任意角的情况，可以把磁感应强度B分解为18 垂直电流方向和平行电流方向两种情况处理。 F=BIL只适用于匀强磁场，对非匀强磁场中，当L足够短时，可以认为导线所在处的磁场是匀强磁场。 安培力的方向要用左手定则判断，垂直磁感应强度方向，这跟电场力与电场强度方向之间的关系是不同的。 5、安培分子电流假说 导体中的电流是由大量的自由电子的定向移动而形成的，而电流的周国又有磁场，所以电流的磁场应该是由于电荷的运动产生的。安培提出在磁铁中分子、原于存在着一种环形电流分子电流，分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体磁铁的分子电流的取向大致相同时，对外显磁性；磁铁的分子电流取向杂乱无章时，对外不显磁性。根据物质的微观结构理论，微粒原子由原子核和核外电子组成，原子核带正电，核外电子带负电，电子在库仑力的作用下，绕核高速旋转，形成分子电流。假说的意义在于其揭示了电与磁之间的联系。 6、安培力的应用磁电式仪表 根据通电导线在磁场中会受到安培力的作用这一原理制成的仪表，称为磁电式仪表。 磁电式仪表的结构 教学演示电流表的内部结构 磁电式仪表原理 由于磁场对电流的作用力方向与电流方向有关，因此，如果改变通过电流表的电流方向，磁场对电流的作用力方向也会随着改变，指针和线圈的偏转方向也就随着改变，据此便可判断出被测电流的方向。 磁场对电流的作用力跟电流成正比，线圈中的电流越大，受到的作用力也越大，指针和线圈的偏转角度也越大因此，指针偏转角度的大小反映了被测电流的大小只要通过实验把两者一一对应的关系记录下来，并标示在刻度盘上，这样在使用中，就可以在刻度盘上直接读出被测电流的大小。 1、洛伦兹力是磁场对运动电荷的作用，它是安培力的微观本质。安培力是洛伦兹力的宏观表现。 2、洛伦兹力的大小 当电荷速度方向垂直于磁场的方向时，磁场对运动电荷的作用力，等于电荷量、速率、磁感应强度三者的乘积，即F=qvB. 当电荷速度方向平行磁场方向时，洛伦兹力F=0。 当电荷速度方向与磁场方向成角时，可以把速度分解为平行磁场方向和垂直磁场方向来处理，此时受洛伦兹力F=qvBsin。 3、洛伦兹力的方向 19 安培力的方向可以用左手定则来判断，洛伦兹力的方向也可用左手定则来判断：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，且处于同一平面内，把手放入磁场，让磁感线穿过手心，对于正电荷，四指指向电荷的运动方向，对于负电荷，四指的指向与电荷的运动方向相反，大拇指所指的方向就是洛伦兹力的方向。由此可见洛伦兹力方向总是垂直速度方向和磁场方向，即垂直速度方向和磁场方向决定的平面。 4、洛伦兹力的特点 因为洛伦兹力始终与电荷的运动方向垂直，所以洛伦兹力对运动电荷不做功。它只改变运动电荷速度的方向，而不改变速度的大小。 1、洛伦兹力与电场力的比较 与带电粒子运动状态的关系 带电粒子在电场中所受到的电场力的大小和方向，与其运动状态无关。但洛伦兹力的大小和方向，则与带电粒子本身运动的速度紧密相关。 决定大小的有关因素 电荷在电场中所受到的电场力F=qE，与两个因素有关：本身电量的多少和电场的强弱。运动电荷在磁场中所受的磁场力，与四个因素有关；本身电量的多少、运动速度v的大小、速度v的方向与磁感应强度B方向间的关系、磁场的磁感应强度B。 方向的区别 电荷所受电场力的方向，一定与电场方向在同一条直线上，但洛伦兹力的方向则与磁感应强度的方向垂直。 2、解决在洛伦兹力等多力作用下电荷运动问题的注意问题： 正确分析受力情况是解决电荷运动问题的关键。要在详细分析问题给出的物理过程的基础上，认清洛伦兹力是怎么变化的。伴随着洛伦兹力的变化，物体的受力情况又发生了什么样的变化。 受力变化演变，出现了什么新运动情况，电荷从什么运动状态过渡到什么运动状态。 寻找关键状态各物理量之间的数量关系，选择合适的物理规律去求解，这些常常就是解题的关键之所在。 3、带电粒子做匀速圆周运动的圆心、半径及运动时间的确定： 圆心的确定因为洛伦兹力指向圆心，根据F洛v，画出粒子运动轨迹中任意两点的F洛的方向，其延长线的交点即为圆心 半径的确定和计算半径的计算一般是利用几何知识，常用解三角形的方法 在磁场中运动时间的确定利用圆心角与弦切角的关系，或者是四边形内角和等于360°计算出圆心角的大小，由公式可求出运动时间 带电粒子在匀强磁场中的运动规律 1、带电粒子的速度方向若与磁场方向平行，带电粒子不受洛伦兹力作用，将以入射速度做匀速直线运动。 2、带电粒子若垂直进入匀强磁场且只受洛伦兹力的作用，带电粒子一定做匀速圆周运动，其轨道平面一定与磁场垂直。 由洛伦兹力提供向心力，得轨道半径：。 由轨道半径与周期的关系得：。 可见，周期与入射速度和运动半径无关。荷质比相同的带电粒子，当它们以不同的速度在磁场中做匀速圆周运动时，无论速度相差多大，由于其运动半径，与速度成正比，所以它们运动的周期20 都相同。 质谱仪 利用不同质量而带同样电量的带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径不同，可以制成测定带电粒子质量的仪器质谱仪。 如图所示，粒子带电量为q，质量为m，经加速电压U加速后进入匀强磁场中，在加速电场中，由动能定量得：，在匀强磁场中轨道半径：，所以粒子质量。 回旋加速器的工作原理 粒子源位于两D形盒的缝隙中央处，从粒子源放射出的带电粒子经两D形盒间的电场加速后，垂直磁场方向进入某一D形盒内，在洛仑兹力的作用下做匀速圆周运动，若带电粒子的电荷量为q，质量为m，进入D形盒时速度为v，匀强磁场的磁感应强度为B。 使高频电源的周期，则当粒子从一个D形盒飞出时，缝隙间的电场方向恰好改变，带电粒子在经过缝隙时再一次被加速，以更大的速度进入另一个D形盒，以更大的速率在另一D形盒内做匀速圆周运动；利用缝隙间的电场使带电粒子加速，利用D形盒中的磁场控制带电粒子转弯，每经过缝隙一次，带电粒子的速度增大一次，粒子的速度和动能逐次增大，在两D形盒内运动的轨道半径也逐次增大，设粒子被引出D形盒前最后半周的轨道半径的R，则带电粒子从加速器飞出的速度和动能达到最大分别为： 21