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①实验中要进行质量m和M的选取,以下最合理的一组是
A.M=40g,m=10g、20g、30g、40g、50g
B.M=100g,m=10g、20g、30g、40g、50g
C.M=500g,m=10g、20g、30g、40g、50g
D.M=500g,m=30g、60g、90g、120g、150g
②本实验中应在释放小车
小车加速度a=
③实验时,某同学由于疏忽,遗漏了平衡摩擦力这一步骤,他测量得到的a-F图象,可能是图3中的
(2)在“测定金属的电阻率”实验中
①用螺旋测微器测量金属丝的直径,结果如图甲所示,其读数为
②用伏安法测金属丝的电阻Rx,实验所用器材为:
电流表(内阻约0.1Ω)?
电压表(内阻约3kΩ)
电池组(电动势为3V,内阻约1Ω)
滑动变阻器R(0-20Ω,额定电流2A)
开关、导线若干
利用以上器材正确连接好电路,进行测量,记录数据如下:
| 次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| U/V | 0.10 | 0.30 | 0.70 | 1.00 | 1.50 | 1.70 | 2.30 |
| I/A | 0.02 | 0.06 | 0.15 | 0.21 | 0.29 | 0.33 | 0.45 |
③本实验关于误差的说法正确的有
A.螺旋测微器是非常精密的仪器,测量金属丝直径时不存在误差
B.由于电流表和电压表的内阻引起的误差属于偶然误差
C.实验中通电时间不宜过长,是为了减少因温度变化而带来的误差
D.用U-I图象处理数据求金属丝电阻可以减小偶然误差.
第十部分 磁场
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-Savart law):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 →
查看习题详情和答案>>(1)按实验要求安装好器材后,应按一定步骤进行实验,下述操作步骤的安排顺序不尽合理,请将合理的顺序以字母代号填写在横线上:
A.保持重物(砝码及砝码盘)的质量不变,在小车里加砝码,测出加速度,重复几次
B.保持小车质量不变,改变重物(砝码及砝码盘)的质量,测出加速度,重复几次
C.用天平测出小车的质量
D.平衡摩擦力,使小车近似做匀速直线运动
E.挂上重物,接通打点计时器的电源,放开小车,在纸带上打下一系列的点
F.根据测量的数据,分别画出a-F和a-
| 1 |
| m |
(2)图2所示是某同学通过实验得到的一条纸带,他在纸带上取A、B、C、D、E、F、G等7个计数点(每相邻两个计数点之间还有4个点没有画出),将毫米刻度尺放在纸带上.根据下图可知,打下E点时小车的速度为
Ⅱ.有一节干电池,电动势大约为1.5V,内电阻约为1.0Ω.某实验小组的同学们为了比较准确地测出该电池的电动势和内电阻,他们在老师的支持下得到了以下器材:
A.电压表V(15V,10kΩ)
B.电流表G(量程3.0mA,内阻Rg=10Ω)
C.电流表A(量程0.6A,内阻约为0.5Ω)
D.滑动变阻器R1(0~20Ω,10A)
E.滑动变阻器R2(0~100Ω,1A)
F.定值电阻器R3=990Ω
G.开关S和导线若干
(1)为了能准确地进行测量,同时为了操作方便,实验中应选用的滑动变阻器是
(2)请在虚线框内(图1)画出他们采用的实验原理图.(标注所选择的器材符号)
(3)该小组根据实验设计的原理图测得的数据如下表,为了采用图象法分析处理数据,请你在图2所示的坐标纸上选择合理的标度,作出相应的图线.
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 电流表G(I1/mA) | 1.37 | 1.35 | 1.26 | 1.24 | 1.18 | 1.11 |
| 电流表A(I2/A) | 0.12 | 0.16 | 0.21 | 0.28 | 0.36 | 0.43 |
(4)根据图线求出电源的电动势E=
A.在铁架台上水平固定好打点计时器,将连有重物的纸带竖直穿过限位孔用手提住,让手尽量靠近打点计时器;
B.松开纸带,赶紧接通电源,开始打点,随后从重物上取下纸带;
C.挑选点迹清晰的纸带,在纸带上选取相隔较远的两个点a、b作为验证的两个状态,测出这两个点之间的距离就是这两个状态之间重物下落的高度h;
D.以a作为连续三个测量点的中间点,测算出该三点中首尾两点之间的平均速度就是a点的瞬时速度va,用同样的方法,测出b点的瞬时速度vb;
E.计算上述两个状态之间重物动能的增加量
| 1 |
| 2 |
| 1 |
| 2 |
该实验小组在上述实验步骤中有两个错误的操作,其错误的步骤和错误是:
①
(2)下面是该小组按正确操作时的情况记录:已知打点计时器所用电源的频率为50Hz,重力加速度近似取g=10.00m/s2,从实验获得的纸带中选取一条点迹清楚且符合要求的纸带(如图),若把第一点记作O,另选择连续的三个点B、C、D作为测量的点,经测量B、C、D点到O点的距离分别为70.18cm,77.00cm,85.18cm.若重物质量为1kg,由此可知重物在纸带打击O点到打击C点的运动过程中,重力势能的减小量为
(3)某同学在做《自来水电阻率的测定》课题时,在一根均匀的长玻璃管两端各装了一个电极,其间充满待测的自来水,然后用如图甲所示电路进行测量.
该同学选用器材如下:
电压表(量程15V,内阻约90kΩ)、电流表(量程300μA,内阻约50Ω)、滑动变阻器(100Ω,1A)、电池组(电动势E=12V,内阻r=6Ω)、开关一个、导线若干.
实验中测量情况如下:
安装前他用图乙(a)的游标卡尺测玻璃管的内径,结果如图乙(b)所示.测得两电极相距L=0.314m.实验中测得包括0在内的9组电流I、电压U的值,在坐标纸上描点如图丙.
根据以上材料回答下面的问题:
①测量玻璃管内径时,应将图乙(a)游标卡尺中的A、B、C三部分中的
②根据实验数据可知该同学测得水柱的电阻R=
| πRd2 |
| 4L |
| πRd2 |
| 4L |
③根据测得水柱电阻值可知实验中电路设计的不妥之处是