高中物理选择性必修第二册电子课本高清版

第一章安培力与洛伦兹力1第二册选择性必修普通高中教科书物理第一章安培力与洛伦兹力31271216222329333846475256616869747881888995101109113目录第一章安培力与洛伦兹力1.磁场对通电导线的作用力2.磁场对运动电荷的作用力3.带电粒子在匀强磁场中的运动4.质谱仪与回旋加速器第二章电磁感应1.楞次定律2.法拉第电磁感应定律3.涡流、电磁阻尼和电磁驱动4.互感和自感第三章交变电流1.交变电流2.交变电流的描述3.变压器4.电能的输送第四章电磁振荡与电磁波1.电磁振荡2.电磁场与电磁波3.无线电波的发射和接收4.电磁波谱第五章传感器1.认识传感器2.常见传感器的工作原理及应用3.利用传感器制作简单的自动控制装置课题研究索引第一章安培力与洛伦兹力1第一章安培力与洛伦兹力1奥斯特发现通电导线能使磁针发生偏转，不仅开启了研究电与磁联系的序幕，还使人们认识了这种神奇的“力”。很快，人们就在实验中发现了通电导线在磁场中会受到力的作用。电流表、扬声器、电动机中都有这种作用力。现在，这种力还能应用到新能源交通工具上，让电动车行驶在街头；应用到发射台上，射出数倍音速的炮弹……未来的某一天，可能还会应用到发射塔上，发射航天器……在这一章里，就让我们一起去探究这种神奇的作用力吧！2高中物理选择性必修第二册图1.1-1观察安培力的方向磁场对通电导线的作用力1电和磁的实验中最明显的现象是，处于彼此距离相当远的物体之间的相互作用。因此，把这些现象化为科学形式的第一步就是，确定物体之间作用力的大小和方向。——麦克斯韦在右图中，当导体棒中有电流流过时，导体棒就会因受力而发生运动。这个力的方向该如何判断？它的大小除了与磁感应强度有关外，还与哪些因素有关？问题在必修课中，我们已经知道了磁场对通电导线有作用力，并从这个现象入手定义了物理量——磁感应强度B。安培在研究磁场与电流的相互作用方面作出了杰出的贡献，为了纪念他，人们把通电导线在磁场中受的力称为安培力（Ampèreforce），把电流的单位定为安培①。安培力的方向如图1.1-1所示，把一段导体棒悬挂在蹄形磁铁的两极间，通以电流。研究安培力的方向与哪些因素有关。_______________________①安培也是国际单位制的基本单位之一。真空中相距1m的两根无限长且圆截面可忽略的平行直导线内通过等量恒定电流，当两导线之间产生的力在每米长度上等于2×10-7N时，每根导线中通过的电流规定为1A。？IFSN+_第一章安培力与洛伦兹力3安培力的方向按照图1.1-1所示，组装好器材，进行实验，观察导体棒受力方向。1.上下交换磁极的位置以改变磁场的方向，观察导体棒受力方向是否改变。2.改变导体棒中电流的方向，观察受力方向是否改变。演示图1.1-2安培力的方向与电流方向、磁感应强度的方向都垂直图1.1-3左手定则实验现象表明，通电导体棒受力方向与磁场方向、电流方向有关。你能尝试把各种情况下三者的方向画出来，进行归纳分析，找到规律吗？众多事实表明，通电导线在磁场中所受安培力的方向与电流方向、磁感应强度的方向都垂直（图1.1-2）。安培力的方向可用以下方法判定：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心垂直进入，并使四指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向（图1.1-3）。这就是判定通电导线在磁场中受力方向的左手定则（left-handrule）。磁场、安培力的问题，在很多方面都与电场、库仑力的问题相似。然而，安培力要比库仑力复杂。研究库仑力时，受力的物体是点电荷，点电荷受力的方向与电场的方向相同或相反；但在研究安培力时，受力的物体是通电导线，通电导线受力的方向与磁场的方向、电流的方向不但不在一条直线上，而且不在一个平面里。因此，研究安培力的问题要涉及三维空间。安培力的大小在必修的学习中我们已经知道，垂直于磁场B的方向放置的长为l的一段导线，当通过的电流为I时，它所受的安培力F＝IlB其中力F、电流I、导线长度l、磁感应强度B的单位分别为牛顿（N）、安培（A）、米（m）、特斯拉（T）。当磁感应强度B的方向与通电导线的方向平行时，导线受力为0。FBIFIBI4高中物理选择性必修第二册图1.1-6磁电式电流表的结构图1.1-7通电线圈在安培力的作用下发生转动当通电导线中的电流方向与磁场方向既不垂直也不平行时，我们应该如何计算安培力呢？思考与讨论若磁感应强度B的方向与电流方向成θ角，根据矢量的运算法则，B可以分解为与电流方向垂直的分量B⊥和与电流方向平行的分量B//（图1.1-4）B⊥＝BsinθB//＝Bcosθ其中B//对通电导线没有作用力，导线所受的安培力只是B⊥产生的。由此得到F＝IlBsinθ这就是一般情况下安培力的表达式，F的方向如图1.1-5所示。磁电式电流表图1.1-6展示了我们实验中常用的磁电式电流表的结构，它所依据的物理学原理就是通电线圈因受安培力而转动。磁电式电流表最基本的组成部分是磁体和放在磁体两极之间的线圈。线圈在磁场中受力的情况如图1.1-7所示。当电流通过线圈时，导线受到安培力的作用。由左手定则可以判定，线圈左右两边所受的安培力的方向相反，于是安装在轴上的线圈就要转动。线圈转动时，图1.1-6中的螺旋弹簧变形，以反抗线圈的转动。电流越大，安培力就越大，螺旋弹簧的形变也图1.1-5B与电流方向夹角θ时的受力情况BFθI图1.1-4B与电流方向的关系BBθIBaSNES线圈螺旋弹簧极靴第一章安培力与洛伦兹力5就越大，线圈偏转的角度也越大，达到新的平衡。所以，从线圈偏转的角度就能判断通过电流的大小。从前面的分析可知，安培力总与磁感应强度的方向垂直。电流表的两磁极装有极靴，极靴中间还有一个用软铁制成的圆柱。这样，极靴与圆柱间的磁场都沿半径方向，如图1.1-8所示。线圈无论转到什么位置，它的平面都跟磁感线平行，线圈左右两边所在之处的磁感应强度的大小都相等。线圈中的电流方向改变时，安培力的方向随着改变，指针的偏转方向也随着改变。所以，根据指针的偏转方向，可以知道被测电流的方向。磁电式电流表的优点是灵敏度高，可以测出很弱的电流；缺点是线圈的导线很细，允许通过的电流很弱（几十微安到几毫安）。如果要用它测量较大的电流，就要根据在必修第三册中学到的方法扩大其量程。图1.1-8极靴和铁质圆柱使磁场沿半径方向“电学中的牛顿”——安培安培最有影响的科学工作是在电磁学领域。他在得知奥斯特发现电流磁效应的实验后，第二天就开始实验，并有了新的发现。安培把导线绕成圆筒状，制成螺线管。尽管螺线管不是用铁丝而是用铜线绕成的，但是接通电源以后却能够吸引小铁钉。今天几乎任何电子仪器都离不开线圈，可见安培这一发现的重要性。安培做了通电平行导线间相互作用的实验，证明通电导线间就像磁极和磁极之间一样，也会发生相互作用。他用不同形状的通电导线进行了许多精巧的实验，结合严密的数学推演，得出了关于两条通电导线之间相互作用力的大小和方向的公式。安培对电磁学的贡献不仅是多方面的，而且是奠基性的，麦克斯韦把安培称作“电学中的牛顿”。安培之所以能够取得重大的研究成就，是与他的数学修养分不开的。近代科学的重要特点之一是定量分析。数学是科学的语言。系统地应用数学来研究物理学，是19世纪物理学发展的重要特点之一，这为有数学才能的物理学家创造了用武之地。今天，数学在科学研究中的作用更为重要。安培十分重视学术交流。他能敏感地从他人的工作中提出前瞻性的课题，抓住机遇迅速进入新的研究领域。安培完美的逻辑推理、巧妙的科学实验和精美的数学表达，令后人赞叹不已。今天，在各种电器的铭牌上常常可以看到安培名字的第一个字母A，那是人们用电流的单位来纪念安培。科学漫步FFSN6高中物理选择性必修第二册4．有人做了一个如图1.1-12所示的实验：把一根柔软的弹簧悬挂起来，使它的下端刚好跟槽中的水银接触，观察通电后的现象。请你分析一下，通电后有可能发生怎样的现象？甲磁场垂直水平面乙磁场与水平面成θ角图1.1-10图1.1-11图1.1-12丙磁场垂直于斜面图1.1-9甲乙丙1．图1.1-9的磁场中有一条通电导线，其方向与磁场方向垂直。图1.1-9甲、乙、丙分别标明了电流、磁感应强度和安培力三个量中的两个量的方向，试画出第三个量的方向。（本书用“·”表示磁感线垂直于纸面向外，“×”表示磁感线垂直于纸面向里，“⊙”表示电流垂直于纸面向外，“”表示电流垂直于纸面向里。）练习与应用2.在图1.1-10中画出通电导体棒ab所受的安培力的方向。形线圈，匝数为n，线圈的水平边长为l，处于匀强磁场内，磁感应强度B的方向与线圈平面垂直。当线圈中通过电流I时，调节砝码使两臂达到平衡。然后使电流反向，大小不变。这时需要在左盘中增加质量为m的砝码，才能使两臂再达到新的平衡。（1）导出用n、m、l、I表示磁感应强度B的表达式。（2）当n＝9，l＝10.0cm，I＝0.10A，m＝8.78g时，磁感应强度是多少？FIBIBFbaBbaBbaBθθbaBbaBbaBθθbaBbaBbaBθθIl+_3．图1.1-11所示为电流天平，可以用来测量匀强磁场的磁感应强度。它的右臂挂着矩第一章安培力与洛伦兹力7磁场对运动电荷的作用力2我们知道，磁场对通电导线有作用力；我们还知道，带电粒子的定向移动形成了电流。那么，磁场对运动电荷有作用力吗？如果有，力的方向和大小又是怎样的呢？问题？实验表明，电子束受到磁场的力的作用，径迹发生了弯曲。运动电荷在磁场中受到的力称为洛伦兹力（Lorentzforce）。通电导线在磁场中受到的安培力，实际是洛伦兹力的宏观表现。运动的带电粒子在磁场中所受洛伦兹力的方向，与运动方向和磁感应强度的方向都垂直。洛伦兹力的方向可以依照左手定则判定：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心垂直进入，并使四指指向正电荷运动的方向，这时拇_______________________①挡板上有一个扁平的狭缝，电子飞过挡板后可以形成一个扁平的电子束。长条形的荧光板稍稍倾向轴线，可以让电子束掠射到荧光板上，显示出电子束的径迹。洛伦兹（HendrikLorentz，1853—1928）图1.2-1电子束在磁场中受力偏转观察电子束在磁场中的偏转抽成真空的玻璃管左右两个电极分别连接到高压电源两极时，阴极会发射电子。电子在电场的加速下飞向阳极。①没有磁场时，电子束呈一条直线。如果在电子束的路径上施加磁场，电子束的径迹会发生弯曲（图1.2-1）。改变磁场方向，电子束会向相反方向弯曲。演示洛伦兹力的方向8高中物理选择性必修第二册图1.2-3运动电荷所受洛伦兹力的矢量和在宏观上表现为安培力指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向（图1.2-2）。负电荷受力的方向与正电荷受力的方向相反。洛伦兹力的大小导线中电流的方向与磁场的方向垂直时，安培力的大小为F＝IlB。这种情况下，导线中电荷定向运动的方向也与磁场的方向垂直。既然安培力是洛伦兹力的宏观表现，那么我们是否可以由安培力的表达式推导出洛伦兹力的表达式？图1.2-2判断洛伦兹力的方向如何由安培力的表达式推导出洛伦兹力的表达式？建议你沿以下逻辑线索思考。1.设静止导线中定向运动的带电粒子的速度都是v，单位体积内的粒子数为n。算出图1.2-3中一段导线中的粒子数，这就是在时间t内通过横截面S的粒子数。粒子的电荷量记为q，由此可以算出q与电流I的关系。2.写出这段长为vt的导线所受的安培力F安。3.求出每个粒子所受的力，它等于洛伦兹力F洛。这时，许多中间量，如n、S、t等都应不再出现。推导时仍然可以认为做定向运动的电荷是正电荷，所得结果具有普遍性。思考与讨论电荷量为q的粒子以速度v运动时，如果速度方向与磁感应强度B的方向垂直（图1.2-4），那么粒子受到的洛伦兹力为图1.2-4v与B垂直图1.2-5v与B不垂直BFvBFvθFqBvSbavF≈vtFႶ第一章安培力与洛伦兹力9F＝qvB式中力F、磁感应强度B、电荷量q、速