【2021全国高中物理组】物理竞赛课件21：说磁

说磁,电流元引起的磁场的毕萨拉定律,电流元的安培力公式,电流元磁场的磁感应强度,示例,B,q,m,v0,匀变速直线运动,速度为vo的匀速直线运动,匀变速曲线运动(类平抛) (轨迹为半支抛物线),匀速圆周运动 (轨道圆平面与磁场垂直),匀变速曲线运动(类斜抛),匀速圆运动与匀速直线运动合成(轨迹为等距螺旋线),v0,q,m,E,带电粒子在匀强电场与匀强磁场中运动对照,磁场对运动电荷及电流的力,示例,由毕萨拉定律,距无限长直线电流a处磁感应强度,无限长直线电流周围磁感应强度,P,a,I,环形电流中心点磁感应强度,I,a,取元电流,BO,载流圆线圈轴线上的磁场,r,P,专题21-例1,O,A,解题方向: 两电流在O点引起的磁场叠加,I1,AB的优弧与劣弧段电流与电阻成反比,即,由毕萨拉定律知,两弧上电流在O点引起的磁场磁感应强度大小关系为:,B,I2,方向相反!,两根长直导线沿半径方向引到铁环上A、B两点，并与很远的电源相连，如图所示,求环中心的磁感应强度,专题21-例2,解题方向: 变端点为无限长通电螺线管内部!,P,B0,如图所示，一恒定电流沿着一个长度为L，半径为R的螺线管流过，在螺线管内部产生了磁感应强度大小为B0的磁场，试求线圈末端即图中P点的磁感应强度及以P为中心的半径为R的圆上的磁通量 ,专题21-例3,解题方向: 利用对称性及磁场叠加!,A,B,1,2,3,4,5,6,7,8,9,11,12,10,I,O,由相同导线构成的立方形框架如图所示，让电流I从顶点A流入、B流出，求立方形框架的几何中心O处的磁感应强度,专题21-例4,电流元所在处磁场设为B其它;,B,电流元内侧有,电流元外侧有,解题方向: 求出电流元所处磁场磁感应强度,即可求安培力及其对螺线管侧面压强,一N匝密绕的螺线管长L，半径r，且L r当通有恒定电流I时，试求作用在长螺线管侧面上的压强p ,5,小试身手题1,1,2,3,4,6,B1,B2,B3,B4,B5,B6,O,5,如图，在半径为R的圆周上沿诸大圆绕有细导线，诸导线相交于同一直径AB的两端，共有六个线圈，每相邻两线圈平面的夹角均为30，导线上流过电流I，求在木球球心O处磁感应强度的大小与方向 ,A,B,O,小试身手题2,I0,h,取元线电流,对P张角为,P,第i对元线电流之一在P处的磁感应强度,第i对元线电流在P处的磁感应强度,有一个宽为b、无限长薄铜片，通有电流I0求铜片中心线正上方h（b h ）处的P点的磁感应强度 ,小试身手题3,电荷随盘运动,形成环形电流:,电流随盘半径分布为:,元环电流在盘轴心处引起的磁感应强度为:,盘轴心处的总磁感应强度为:,一个塑料圆盘，半径为R，带电q，均匀分布在盘表面上，圆盘绕通过圆心垂直于盘面的轴转动，角速度为，试求圆盘中心处O 的磁感应强度,x,y,O,在通电椭圆导线上取元电流I.l,元电流I.l对一个焦点的张角为,元电流I.l在焦点处引起的元磁感应强度为,由几何关系得,则焦点处,小试身手题4,试应用毕奥萨伐尔定律，求解方程为 （ AB，其中A和B均为已知量）的椭圆形闭合导线当导线中通以稳恒电流I时，椭圆导线焦点处磁感应强度B1的大小 ,长直圆柱形载流导线内磁场具有轴对称性，离轴r处的磁感应强度 现有半径为a的金属长圆柱体内挖去一半径为b的圆柱体，两圆柱体的轴线平行，相距d，如图所示电流I沿轴线方向通过，且均匀分布在柱体的截面上，试求空心部分中的磁感应强度 ,小试身手题5,有空洞的圆柱体电流密度为,空洞处视作电流密度为j的两反向电流叠加:,ra,rb,d,完整电流j与反向电流-j在空洞中A处引起磁场Ba、Bb:,返回,d,M,d,如图所示，经U1000 V电压加速的电子（加速前静止）从电子枪T射出，其初速度沿直线方向若要求电子能击中在60方向，与枪口相距d5.0 cm 的靶M，试求以下两种情况下，所需的匀强磁场的磁感应强度的大小磁场B1垂直于直线与靶M所确定的平面；磁场B2平行于枪口T向靶M所引的直线TM ,专题21-例5,专题21-例6,x,y,O,R,轨道设计：离子在进入磁场前离子做直线运动，进入磁场区后，在洛伦兹力作用下沿一段圆弧运动，而后离开磁场区，沿直线运动至R对不同的离子射出角，以适当的圆弧与之衔接，各轨道直线与圆弧对接点，即离子出、入磁场的点的集合为所求磁场的边界,P,r,(x,y),射出角范围为,如图所示，一簇质量均为m，电量均为q的离子在P点以同一速率v沿xy上半平面中的各个方向射出，垂直于xy平面的匀强磁场B将这些离子聚焦在R点，P点与R点相距为2a，离子轨道应是轴对称的试确定磁场区的边界讨论当a 情况下可聚焦的离子发射角范围 ,小试身手题6,通电导线受力如图,其中安培力大小 为,两端绳张力的合力为,带电粒子要沿弧ab运动，须满足,如图所示，质量不计的柔韧细导线的一端悬挂质量为M的重物，给细线提供张力T，另一端固定于天花板上它的一段处于图中所示匀强磁场B中并通有电流I，求弧线的曲率半径R若带电量q、质量m的粒子从a点入射磁场，其动量如何才能使它沿弧线运动？,FT,小试身手题7,设阻力Ff=kv，第一次位移为S1=10 cm，,由动量定理：,加一磁感应强度为B的匀强磁场，粒子受阻力与洛仑兹力共同作用，两力方向始终互相垂直，轨迹为曲线，元过程中有,全过程中有：,同理过程3中有：,由上三式得,带电粒子进入介质中，受到的阻力跟它的速度成正比在粒子完全停止前，所通过的路程为S110cm，如果在介质中有一个跟粒子速度方向垂直的磁场，当粒子以跟原来相同的初速度进入这一带有磁场的介质时，它则停止在距入射点的距离为S26 cm的位置上，如果磁场强度减少1/2，那么该粒子应停留在离开入射点多远（S3）的位置上？,离子的运动是一系列等螺距的螺旋运动，若离子的初速度v与SO成角，则其轨迹的螺距为,螺旋截面圆的半径为,只要向屏方向,B,q,m,v,认为离子源附近射出离子各向均匀,总能打在屏上的离子占总数的比为,S,O,电子轨道半径均为,(x,y),R,同样方法，在x处，,小试身手题10,两种离子经同一有界磁场偏转的轨道半径不同,故离开磁场时发散,R1,O,D,由图示几何关系:,发散角很小,故,两同位素的发散角,如图所示，一窄束单能氩离子通过一扇形匀强磁场，此束射线的轴在进、出磁场时离子束的轴线都与场的边界垂直求质量数m136和m240的氩同位素的发散角已知=60,磁场的应用背景,在正交的匀强电场与匀强磁场中，电荷以垂直于两场 方向进入，可能做匀速直线运动：,Fe,v0,fB,在正交的匀强电场与匀强磁场中，电荷以垂直于两场 方向进入，可能做轨迹为摆线的运动：,速度选择器,示例,规律,如图(a)所示，两块水平放置的平行金属板A、B，板长L=18.5cm，两板间距d=3 cm，两板之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感在强度B=6.010-2 T，两板间加上如图(b)所示的周期性电压，带电时A板带正电，当t=0时，有一个质量m=1.010-12 kg，带电荷量q=1.010-6 C的粒子，以速度v=600 m/s，从距A板2.5 cm处沿垂直于磁场、平行于两板的方向射入两板之间，若不计粒子重力，取，求粒子在0110-4 s内做怎样的运动？位移多大？带电粒子从射入到射出极板间所用时间？,有电场时：,粒子做匀速直线运动！,无电场时，粒子做匀速圆周运动：,1cm,0.5cm,磁场运用示例1,返回,B,E,O,衍射光学元件 衍射光学 光束整形 光束整形器 高帽 https:/ 分束器 长焦 扩散器 激光打孔 激光玻璃切割,小球必带正电!小球从A点下滑进入板间做直线运动必有,小球从b点下滑进入板间时速度小于va,mg,Fe,fB,故轨迹开始一段向下弯曲!,如图所示，带电平行板间匀强电场方向竖直向上，匀强磁场方向垂直纸面向里一带电小球从光滑绝缘轨道上的a点自由下滑，经轨道端点P进入板间后恰好沿水平方向做直线运动现使小球从较低的b点开始下滑，经P点进入板间后，下列判断正确的是 A在开始一段时间内，小球动能将会增大 B在开始一段时间内，小球势能将会增大 C若板间电场和磁场范围足够大，小球始终克服电场力做功 D若板间电场和磁场范围足够大，小球所受洛仑兹力将一直增大,则重力与电场力的总功为正功,动能增加!,小球重力势能减少,电势能增加!总势能减少!,磁场运用示例2,洛伦兹力不做功，电场力做功与路径无关,则由动能定理：,离子的运动是x方向匀速运动与匀速圆周运动的合成，两运动速率均为,在a点时两分速度方向均为+x方向,则,又解：,如图所示，质量为m、电量为q的正离子，在互相垂直的匀强电场和匀强磁场中沿曲线oabcd从静止开始运动已知电场强度E与y 平行，磁感应强度B垂直于xoy平面，试求 离子经过任意点b(x,y)时速度的大小；若a点是曲线上纵坐标最大的位置，且曲线在a点的曲率半径是a点纵坐标的两倍，则离子经过a点时的速率是多大？,磁场运用示例3,解题方向: 将两带电质点视为双星系统,其质心初速度为零，在磁场中做轨迹为摆线的运动,专题21-例7,未加磁场时,双电荷质心速度为零,角速度由,加磁场后,双电荷质心初速度为零,受到洛伦兹力大小为,方向在xy平面,是有心力!,将质心初速度分解为大小为,质心运动为“摆线运动”,轨迹方程:,如图所示，质量均为m，电量为-q和+q的两个带电质点相距2R开始时，系统的质心静止地位于坐标原点O处，且两带电质点在xOy平面上绕质心C沿顺时针方向做圆周运动设当系统处于图示位置时，规定为t时刻，从该时刻起在所讨论的空间加上沿z轴方向的弱匀强磁场B试求：质心C的速度分量vx和vy随时间t的变化关系及运动轨迹方程，定性画出质心C的运动轨迹设两带电质点绕质心的圆周运动保持不变，忽略一切万有引力两带电质点间的相互作用力视作库仑力,带电微粒处于匀强磁场与重力场中，B、g、v0三矢量两两垂直，可将v0分解为,mg,fB1,fB2,带电微粒的运动为v1匀速运动与v2匀速圆周运动的合成,能到达x0须满足,（与v0无关）,如图所示的空间直角坐标系中，z轴为竖直方向，空间存在着匀强磁场，磁感应强度B的方向沿y轴正方向，一个质量为m、带电量为q的带电微粒从原点O处以初速度v0射出，初速度方向为x轴正方向，试确定各物理量间满足什么条件，就能保证v0的大小不论取何值，带电微粒运动过程中都可以经过x轴上的x0点？,小试身手题11,初速为零的带电小球处在重力场与磁场的复合场将做轨道迹为滚轮线的运动!,mg,fB1,fB2,小试身手题12,若小球滚轮线轨道恰与地面相切，就不会和地面相碰 !,v1,v2,圆运动半径应满足,轨迹方程:,质量为m、电量为q（q）的小球，在离地面高度为h处从静止开始下落，为使小球始终不会和地面相碰，可设想在它开始下落时就加上一个足够强的水平匀强磁场试求该磁场磁感应强度的最小可取值B0，并求出当磁场取B0时小球的运动轨道,槽下部与水银接触面达到稳定时，其电流所受磁场力（竖直向上）与水银柱压力平衡：,h,B,H,如图所示的磁动力泵是高h0.1 m的矩形槽，槽相对的两壁是导电的，它们之间距离0.05 m两导电壁加上电势差U1.4 V，垂直于两非导电壁加上磁感应强度B0.1 T的均匀磁场槽的下部与水银面接触，上部与竖直的非导电管相连试问水银上升多高？（水银的电阻率 ，水银密度 ， 重力加速度g=10m/s2 ）,a,小试身手题13,磁聚焦,vx,若电子沿纵向磁场的运动路径长l，可以调节磁感应强度B，使所有电子在l 路径上完成整数个圆周运动，即比值为整数，这样，被横向交变电场偏转发散的电子束经磁场作用，可会聚到离入射点l 远的同一处，这就是磁聚焦,阅读:利用磁聚焦测电子的比荷,专题21-例8,如图所示，在螺线环的平均半径R处有电子源P，由P点沿磁感线方向注入孔径角2（2 1）的一电子束，束中的电子都是以电压U0加速后从P点发出的假设螺线环内磁场磁感应强度B的大小为常量，设U03 kV，R50 mm ，并假设电子束中各电子间的静电相互作用可以忽略 为了使电子束沿环形磁场运动