物理竞赛电学讲义.doc

.静电场一、电场强度1、实验定律a、库仑定律：内容条件：点电荷，真空，点电荷静止或相对静止。事实上，条件和均不能视为对库仑定律的限制，因为叠加原理可以将点电荷之间的静电力应用到一般带电体，非真空介质可以通过介电常数将k进行修正(如果介质分布是均匀和“充分宽广”的，一般认为k= k /r)。只有条件，它才是静电学的基本前提和出发点(但这一点又是常常被忽视和被不恰当地“综合应用”的)。b、电荷守恒定律 c、叠加原理2、电场强度a、电场强度的定义(使用高斯定理)电场的概念；试探电荷(检验电荷)；定义意味着一种适用于任何电场的对电场的检测手段；电场线是抽象而直观地描述电场有效工具(电场线的基本属性)。b、不同电场中场强的计算：决定电场强弱的因素有两个，场源(带电量和带电体的形状)和空间位置。这可以从不同电场的场强决定式看出点电荷：E = k 结合点电荷的场强和叠加原理，我们可以求出任何电场的场强均匀带电环，垂直环面轴线上的某点P：E = ，其中r和R的意义见图。均匀带电球壳 内部：E内 = 0外部：E外 = k ，其中r指考察点到球心的距离如果球壳是有厚度的的(内径R1 、外径R2)，在壳体中(R1rR2)：E = ，其中为电荷体密度。这个式子的物理意义可以参照万有引力定律当中(条件部分)的“剥皮法则”理解即为图中虚线以内部分的总电量。无限长均匀带电直线(电荷线密度为)：E = 无限大均匀带电平面(电荷面密度为)：E = 2k二、电势1、电势：把一电荷从P点移到参考点P0时电场力所做的功W与该电荷电量q的比值，即U = 参考点即电势为零的点，通常取无穷远或大地为参考点。和场强一样，电势是属于场本身的物理量。W则为电荷的电势能。2、典型电场的电势 a、点电荷 以无穷远为参考点，U = kb、均匀带电球壳 以无穷远为参考点，U外 = k ，U内 = k3、电势的叠加：由于电势的是标量，所以电势的叠加服从代数加法。很显然，有了点电荷电势的表达式和叠加原理，我们可以求出任何电场的电势分布。4、电场力对电荷做功 WAB = q(UA UB)= qUAB三、静电场中的导体静电感应静电平衡(狭义和广义)静电屏蔽1、静电平衡的特征可以总结为以下三层含义a、导体内部的合场强为零；表面的合场强不为零且一般各处不等，表面的合场强方向总是垂直导体表面。 b、导体是等势体，表面是等势面。c、导体内部没有净电荷；孤立导体的净电荷在表面的分布情况取决于导体表面的曲率。2、静电屏蔽导体壳(网罩)不接地时，可以实现外部对内部的屏蔽，但不能实现内部对外部的屏蔽；导体壳(网罩)接地后，既可实现外部对内部的屏蔽，也可实现内部对外部的屏蔽。四、电容1、电容器：孤立导体电容器一般电容器 2、电容 a、定义式 C = b、决定式。决定电容器电容的因素是：导体的形状和位置关系、绝缘介质的种类，所以不同电容器有不同的电容（1）平行板电容器C=，其中为绝对介电常数(真空中0=，其它介质中=)，r则为相对介电常数，r=（2）球形电容器：C=3、电容器的连接a、串联=+ + b、并联 C = C1 + C2 + C3 + + Cn4、电容器的能量用图表征电容器的充电过程，“搬运”电荷做功W就是图中阴影的面积，这也就是电容器的储能E=q0U0=C= 电场的能量：电容器储存的能量究竟是属于电荷还是属于电场？正确答案是后者，因此，我们可以将电容器的能量用场强E表示。对平行板电容器 E总 = E2认为电场能均匀分布在电场中，则单位体积的电场储能 w = E2 。而且，这以结论适用于非匀强电场。五、电介质的极化重要模型与专题一、场强和电场力【物理情形1】试证明：均匀带电球壳内部任意一点的场强均为零。【模型变换】半径为R的均匀带电球面，电荷的面密度为，试求球心处的电场强度。思考如果这个半球面在yoz平面的两边均匀带有异种电荷，面密度仍为，那么，球心处的场强又是多少？【物理情形2】有一个均匀的带电球体，球心在O点，半径为R ，电荷体密度为 ，球体内有一个球形空腔，空腔球心在O点，半径为R，= a ，试求空腔中各点的场强。二、电势、电量与电场力的功【物理情形1】如图所示，半径为R的圆环均匀带电，电荷线密度为，圆心在O点，过圆心跟环面垂直的轴线上有P点， = r ，以无穷远为参考点，试求P点的电势UP 。思考将环换成半径为R的薄球壳，总电量仍为Q ，试问：(1)当电量均匀分布时，球心电势为多少？球内(包括表面)各点电势为多少？(2)当电量不均匀分布时，球心电势为多少？球内(包括表面)各点电势为多少？【相关应用】如图所示，球形导体空腔内、外壁的半径分别为R1和R2 ，带有净电量+q ，现在其内部距球心为r的地方放一个电量为+Q的点电荷，试求球心处的电势。练习如图所示，两个极薄的同心导体球壳A和B，半径分别为RA和RB ，现让A壳接地，而在B壳的外部距球心d的地方放一个电量为+q的点电荷。试求：(1)A球壳的感应电荷量；(2)外球壳的电势。【物理情形2】图中，三根实线表示三根首尾相连的等长绝缘细棒，每根棒上的电荷分布情况与绝缘棒都换成导体棒时完全相同。点A是abc的中心，点B则与A相对bc棒对称，且已测得它们的电势分别为UA和UB 。试问：若将ab棒取走，A、B两点的电势将变为多少？练习电荷q均匀分布在半球面ACB上，球面半径为R ，CD为通过半球顶点C和球心O的轴线，如图所示。P、Q为CD轴线上相对O点对称的两点，已知P点的电势为UP ，试求Q点的电势UQ 。【物理情形3】如图所示，A、B两点相距2L ，圆弧是以B为圆心、L为半径的半圆。A处放有电量为q的电荷，B处放有电量为q的点电荷。试问：(1)将单位正电荷从O点沿移到D点，电场力对它做了多少功？(2)将单位负电荷从D点沿AB的延长线移到无穷远处去，电场力对它做多少功？【相关应用】在不计重力空间，有A、B两个带电小球，电量分别为q1和q2 ，质量分别为m1和m2 ，被固定在相距L的两点。试问：(1)若解除A球的固定，它能获得的最大动能是多少？(2)若同时解除两球的固定，它们各自的获得的最大动能是多少？(3)未解除固定时，这个系统的静电势能是多少？思考设三个点电荷的电量分别为q1 、q2和q3 ，两两相距为r12 、r23和r31 ，则这个点电荷系统的静电势能是多少？反馈应用如图所示，三个带同种电荷的相同金属小球，每个球的质量均为m 、电量均为q ，用长度为L的三根绝缘轻绳连接着，系统放在光滑、绝缘的水平面上。现将其中的一根绳子剪断，三个球将开始运动起来，试求中间这个小球的最大速度。三、电场中的导体和电介质【物理情形】两块平行放置的很大的金属薄板A和B，面积都是S ，间距为d(d远小于金属板的线度)，已知A板带净电量+Q1 ，B板带尽电量+Q2 ，且Q2Q1 ，试求：(1)两板内外表面的电量分别是多少；(2)空间各处的场强；(3)两板间的电势差。【模型变换】如图所示，一平行板电容器，极板面积为S ，其上半部为真空，而下半部充满相对介电常数为r的均匀电介质，当两极板分别带上+Q和Q的电量后，试求：(1)板上自由电荷的分布；(2)两板之间的场强；(3)介质表面的极化电荷。思考应用一个带电量为Q的金属小球，周围充满相对介电常数为r的均匀电介质，试求与与导体表面接触的介质表面的极化电荷量。四、电容器的相关计算【物理情形1】由许多个电容为C的电容器组成一个如图所示的多级网络，试问：(1)在最后一级的右边并联一个多大电容C，可使整个网络的A、B两端电容也为C？(2)不接C，但无限地增加网络的级数，整个网络A、B两端的总电容是多少？【物理情形2】如图所示的电路中，三个电容器完全相同，电源电动势1 = 3.0V ，2 = 4.5V，开关K1和K2接通前电容器均未带电，试求K1和K2接通后三个电容器的电压Uao 、Ubo和Uco各为多少。【练习】1. 把两个相同的电量为q的点电荷固定在相距l的地方，在二者中间放上第三个质量为m的电量亦为q的点电荷，现沿电荷连线方向给第三个点电荷一小扰动，证明随之发生的小幅振动为简谐运动并求其周期T2. 均匀带电球壳半径为R，带正电，电量为Q，若在球面上划出很小一块，它所带电量为q试求球壳的其余部分对它的作用力 3. 一个半径为a的孤立的带电金属丝环，其中心电势为U0将此环靠近半径为b的接地的球，只有环中心O位于球面上，如图试求球上感应电荷的电量 4. 半径分别为R1和R2的两个同心半球相对放置，如图所示，两个半球面均匀带电，电荷密度分别为1和2，试求大的半球面所对应底面圆直径AOB上电势的分布5. 如图，电场线从正电荷q1出发，与正点电荷及负点电荷的连线成角，则该电场线进入负点电荷q2的角度是多大？ 6. 如图，两个以O为球心的同心金属球壳都接地，半径分别是r、R现在离O为l（rlR）的地方放一个点电荷q问两个球壳上的感应电荷的电量各是多少？7. 半径为R2的导电球壳包围半径为R的金属球，金属球原来具有电势为U，如果让球壳接地，则金属球的电势变为多少？ 8. 两个电量q相等的正点电荷位于一无穷大导体平板的同一侧，且与板的距离均为d，两点电荷之间的距离为2d求在两点电荷联线的中点处电场强度的大小与方向9. 在极板面积为S，相距为d的平行板电容器内充满三种不同的介质，如图所示如果改用同一种介质充满板间而电容与之前相同，这种介质的介电常数应是多少？如果在3和1、2之间插有极薄的导体薄片，问的结果应是多少？ 10. 球形电容器由半径为r的导体球和与它同心的球壳构成，球壳内半径为R，其间一半充满介电常数为的均匀介质，如图所示，求电容. 11. 如图所示的两块无限大金属平板A、B均接地，现在两板之间放入点电荷q，使它距A板r，距B板R求A、B两板上的感应电荷电量各如何？ 12. 如图所示的电路中，C14C0，C22C0，C3C0，电池电动势为，不计内阻，C0与为已知量先在断开S4的条件下，接通S1、S2、S3，令电池给三个电容器充电；然后断开S1、S2、S3，接通S4，使电容器放电，求：放电过程中，电阻R上总共产生的热量及放电过程达到放电总量一半时，R上的电流 13. 如图所示，一薄壁导体球壳（以下简称为球壳）的球心在点球壳通过一细导线与端电压的电池的正极相连，电池负极接地在球壳外点有一电量为的点电荷，点有一电量为的点电荷。之间的距离，之间的距离现设想球壳的半径从开始缓慢地增大到50，问：在此过程中的不同阶段，大地流向球壳的电量各是多少？己知静电力恒量假设点电荷能穿过球壳壁进入导体球壳内而不与导体壁接触。稳恒电流一、欧姆定律1、电阻定律a、电阻定律 R = b、金属的电阻率 = 0(1 + t)2、欧姆定律a、外电路欧姆定律 U = IR ，顺着电流方向电势降落b、含源电路欧姆定律在如图所示的含源电路中，从A点到B点，遵照原则：遇电阻，顺电流方向电势降落(逆电流方向电势升高)遇电源，正极到负极电势降落，负极到正极电势升高(与电流方向无关)，可以得到关系式：UA IR Ir = UB 这就是含源电路欧姆定律。c、闭合电路欧姆定律在图中，若将A、B两点短接，则电流方向只可能向左，含源电路欧姆定律成为UA + IR + Ir = UB = UA 即 = IR + Ir 或 I = 这就是闭合电路欧姆定律。值得注意的的是：对于复杂电路，“干路电流I”不能做绝对的理解(任何要考察的一条路均可视为干路)；电源的概念也是相对的，它可以是多个电源的串、并联，也可以是电源和电阻组成的系统；外电阻R可以是多个电阻的串、并联或混联，但不能包含电源。二、复杂电路的计算1、戴维南定理：一个由独立源、线性电阻、线性受控源组成的二端网络，可以用一个电压源和电阻串联的二端网络来等效。(事实上，也可等效为“电流源和电阻并联的的二端网络”这就成了诺顿定理。)应用方法：其等效电路的电压源的电动势等于网络的开路电压，其串联电阻等于从端钮看进去该网络中所有独立源为零值时的等效电阻。2、基尔霍夫(克希科夫)定律a、基尔霍夫第一定律：在任一时刻流入电路中某一分节点的电流强度的总和，等于从该点流出的电流强度的总和。例如，在上图中，针对节点P ，有I2 + I3 = I1 基尔霍夫第一定律也被称为“节点电流定律”，它是电荷受恒定律在电路中的具体体现。对于基尔霍夫第一定律的理解，近来已经拓展为：流入电路中某一“包容块”的电流强度的总和，等于从该“包容块”流出的电流强度的总和。b、基尔霍夫第二定律：在电路中任取一闭合回路，并规定正的绕行方向，其中电动势的代数和，等于各部分电阻(在交流电路中为阻抗)与电流强度乘积的代数和。例如，在上图中，针对闭合回路 ，有3 2 = I3 ( r3 + R2 + r2 ) I2R2 基尔霍夫第二定律事实上是含源部分电路欧姆定律的变体3、Y变换在难以看清串、并联关系的电路中，进行“Y型型”的相互转换常常是必要的。在图所示的电路中Rc = Rb = Ra = Y的变换稍稍复杂一些，但我们仍然可以得到R1 = R2 = R3 = 三、电功和电功率1、电源：使其他形式的能量转变为电能的装置。如发电机、电池等。发电机是将机械能转变为电能；干电池、蓄电池是将化学能转变为电能；光电池是将光能转变为电能；原子电池是将原子核放射能转变为电能；在电子设备中，有时也把变换电能形式的装置，如整流器等，作为电源看待。电源电动势定义为电源的开路电压，内阻则定义为没有电动势时电路通过电源所遇到的电阻。据此不难推出相同电源串联、并联，甚至不同电源串联、并联的时的电动势和内阻的值。例如，电动势、内阻分别为1 、r1和2 、r2的电源并联，构成的新电源的电动势和内阻r分别为 = r = 2、电功、电功率：电流通过电路时，电场力对电荷作的功叫做电功W。单位时间内电场力所作的功叫做电功率P 。计算时，只有W = UIt和P = UI是完全没有条件的，对于不含源的纯电阻，电功和焦耳热重合，电功率则和热功率重合，有W = I2Rt = t和P = I2R = 。对非纯电阻电路，电功和电热的关系依据能量守恒定律求解。 重要模型和专题一、纯电阻电路的简化和等效1、等势缩点法：将电路中电势相等的点缩为一点，是电路简化的途径之一。至于哪些点的电势相等，则需要具体问题具体分析【物理情形1】在图所示的电路中，R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R ，试求A、B两端的等效电阻RAB 。【物理情形2】在图所示的有限网络中，每一小段导体的电阻均为R ，试求A、B两点之间的等效电阻RAB 。3、电流注入法【物理情形】对图所示无限网络，求A、B两点间的电阻RAB 。4、添加等效法【物理情形】在图8-11甲所示无限网络中，每个电阻的阻值均为R ，试求A、B两点间的电阻RAB 。【综合应用】在图所示的三维无限网络中，每两个节点之间的导体电阻均为R ，试求A、B两点间的等效电阻RAB 。二、含源电路的简化和计算1、戴维南定理的应用【物理情形】在如图所示电路中，电源 = 1.4V，内阻不计，R1 = R4 = 2，R2 = R3 = R5 = 1，试用戴维南定理解流过电阻R5的电流。用基尔霍夫定律解所示电路中R5的电流(所有已知条件不变)。2、基尔霍夫定律的应用【物理情形1】在图所示的电路中，1 = 32V，2 = 24V，两电源的内阻均不计，R1 = 5，R2 = 6，R3 = 54，求各支路的电流。【物理情形2】求解图所示电路中流过30电阻的电流。练习：1. 如图所示，一长为L的圆台形均匀导体，两底面半径分别为a和b ，电阻率为试求它的两个底面之间的电阻 2. 如图所示，12个阻值都是R的电阻，组成一立方体框架，试求AC间的电阻RAC 、AB间的电阻RAB与AG间的电阻RAG 3. 如图所示的一个无限的平面方格导线网，连接两个结点的导线的电阻为r0，如果将A和B接入电路，求此导线网的等效电阻RAB 4. 有一无限大平面导体网络，它有大小相同的正六边形网眼组成，如图所示，所有六边形每边的电阻均为R0，求间位结点a、b间的等效电阻 5. 如图是一个无限大导体网络，它由无数个大小相同的正三角形网眼构成，小三角形每边的电阻均为r，求把该网络中相邻的A、B两点接入电路中时，AB间的电阻RAB6. 如图所示的平行板电容器极板面积为S，板间充满两层均匀介质，它们的厚度分别为d1和d2，介电常数为1和2，电阻率分别为1和2，当板间电压为U时，求通过电容器的电流；电容器中的电场强度；两介质交界面上自由电荷面密度 7. 有两个电阻1和2，它们的阻值随所加电压的变化而改变，从而它们的伏安特性即电压和电流不再成正比关系（这种电阻称为非线性电阻）。假设电阻1和电阻2的伏安特性图线分别如图所示。现先将这两个电阻并联，然后接在电动势E=9.0V、内电阻r0=2.0的电源上。试利用题给的数据和图线在题图中用作图法读得所需的数据，进而分别求出电阻1和电阻2上消耗的功率P1和P2.要求：i在题图上画出所作的图线（只按所画图线评分，不要求写出画图的步骤及理由）ii从图上读下所需物理量的数据（取二位有效数字），分别是： ；iii求出电阻R1消耗的功率P1= ，电阻R2消耗的功率P2= 。8. 如图所示，电阻，电动势，两个相同的二极管串联在电路中，二极管的特性曲线如图所示。试求：1. 通过二极管的电流。2. 电阻消耗的功率。 9. 在图所示的网络中，仅知道部分支路上电流值及其方向、某些元件参数和支路交点的电势值（有关数值及参数已标在图上）。请你利用所给的有关数值及参数求出含有电阻的支路上的电流值及其方向。10. 如图1所示的电路具有把输人的交变电压变成直流电压并加以升压、输出的功能，称为整流倍压电路。和是理想的、点接触型二极管（不考虑二极管的电容），和是理想电容器，它们的电容都为C，初始时都不带电，G点接地。现在A、G间接上一交变电源，其电压，随时间t变化的图线如图2所示试分别在图3和图4中准确地画出D点的电压和B点的电压在t0到t=2T时间间隔内随时间t变化的图线，T为交变电压的周期。图2 图3 图420mF10mFB20mFD10W1.0W1.0W1.0W1.0W2.0W2.0W2.0W18W30W20V10VACE24V11. 如图所示的电路中，各电源的内阻均为零，其中B、C两点与其右方由1.0的电阻和2.0的电阻构成的无穷组合电路相接求图中10F的电容器与E点相接的极板上的电荷量磁场一、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 = 1.0107N/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“无限长”螺线管内部的结论：B = 2knI 。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 = BILsin再结合“左手定则”解决方向问题(为B与L的夹角)。b、弯曲导体的安培力整体合力：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。二、洛仑兹力1、概念与规律a、=q，或展开为f = qvBsin再结合左、右手定则确定方向(其中为与的夹角)。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？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、与成一般夹角时，做等螺距螺旋运动，半径r=，螺距d=3、磁聚焦a、结构：如图，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 = = 2Rf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。【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。二、带电粒子在匀强磁场中的运动【例题3】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，为已知量，试求：(1)电子从O到P经历的时间(2)OP过程洛仑兹力的冲量。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)成角，可以将v0分解为v0和v0n ，则在n方向粒子做匀速圆周运动，在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】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。【例题】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。电磁感应一、楞次定律1、定律：感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。注意点：阻碍“变化”而非阻碍原磁场本身；两个磁场的存在。2、能量实质：发电结果总是阻碍发电过程本身能量守恒决定了楞次定律的必然结果。【例题1】在图所示的装置中，令变阻器R的触头向左移动，判断移动过程中线圈的感应电流的方向。二、法拉第电磁感应定律1、定律：闭合线圈的感应电动势和穿过此线圈的磁通量的变化率成正比，即= N物理意义：N为线圈匝数；有瞬时变化率和平均变化率之分，在定律中的分别对应瞬时电动势和平均电动势。 图象意义：在t图象中，瞬时变化率对应图线切线的斜率。【例题】面积为S的圆形(或任何形)线圈绕平行环面且垂直磁场的轴匀速转动。已知匀强磁场的磁感应强度为B ，线圈转速为，试求：线圈转至图所示位置的瞬时电动势和从图示位置开始转过90过程的平均电动势。2、动生电动势：磁感应强度不变而因闭合回路的整体或局部运动形成的电动势成为动生电动势。在磁感应强度为B的匀强磁场中，当长为L的导体棒一速度v平动切割磁感线，且B、L、v两两垂直时，= BLv ，电势的高低由“右手定则”判断。这个结论的推导有两种途径设置辅助回路，应用法拉第电磁感应定律导体内部洛仑兹力与电场力平衡。导体两端形成固定电势差后，导体内部将形成电场，且自由电子不在移动，此时，对于不在定向移动的电子而言，洛仑兹力f和电场力F平衡，即F=f即qE=qvB而导体内部可以看成匀强电场，即=E所以= BLv当导体有转动，或B、L、v并不两两垂直时，我们可以分以下四种情况讨论(结论推导时建议使用法拉第电磁感应定律)直导体平动，LB ，Lv ，但v与B夹角(如图所示)，则= BLvsin直导体平动，vB ，LB ，但v与L夹角(如图所示)，则= BLvsin推论：弯曲导体平动，端点始末连线为L ，vB ，LB ，但v与L夹角(如图所示)，则= BLvsin直导体转动，转轴平行B、垂直L且过导体的端点，角速度为(如图所示)，则=BL2推论：直导体转动，转轴平行B、垂直L、但不过导体的端点(和导体一端相距s)，角速度为(如图所示)，则1=BL(s+)(轴在导体外部)2=B(L22s)=B(L2s)(s +)(轴在导体内部)直导体转动，转轴平行B、和L成一般夹角、且过导体的端点，角速度为(如图所示)，则=BL2sin2 推论：弯曲导体(始末端连线为L)转动，转轴转轴平行B、和L成一般夹角、且过导体的端点，角速度为(如图所示)，则=BL2sin2统一的结论：种种事实表明，动生电动势可以这样寻求即=BLv ，而B、L、v应彼此垂直的(分)量。【例题】一根长为L的直导体，绕过端点的、垂直匀强磁场的转轴匀角速转动，而导体和转轴夹角，已知磁感应强度B和导体的角速度 ，试求导体在图所示瞬间的动生电动势。一、感生电动势造成回路磁通量改变的情形有两种：磁感应强度B不变回路面积S改变(部分导体切割磁感线)；回路面积S不变而磁感应强度B改变。对于这两种情形，法拉第电磁感应定律都能够求出(整个回路的)感应电动势的大小(前一种情形甚至还可以从洛仑兹力的角度解释)。但是，在解决感应电动势的归属问题上，法拉第电磁感应定律面临这前所未有的困难(而且洛仑兹力角度也不能解释其大小)。因此，我们还是将两种情形加以区别，前一种叫动生电动势，后一种叫感生电动势。感生电动势的形成通常是用麦克斯韦的涡旋电磁理论解释的。1、概念与意义根据麦克斯韦电磁场的理论，变化的磁场激发(涡旋)电场。涡旋电场力作用于单位电荷，使之运动一周所做的功，叫感生电动势，即感=值得注意的是，这里的涡旋电场力是一种比较特殊的力，它和库仑电场力、洛仑兹力并称为驱动电荷运动的三大作用力，但是，它和库仑电场力有重大的区别，特别是：库仑电场力可以引入电位、电场线有始有终，而涡旋电场不能引入电位、电场线是闭合的(用数学语言讲，前者是有源无旋场，后者是有旋无源场)。2、感生电动势的求法：感生电动势的严谨求法是求法拉第电磁感应定律的微分方程即=在一般的情形下，解这个方程有一定的难度。但是，具有相对涡旋中心的轴对称性，根据这种对称性解体则可以是问题简化。【例题】半径为R的无限长螺线管，其电流随时间均匀增加时，其内部的磁感应强度也随时间均匀增加，由于“无限长”的原因，其外部的有限空间内可以认为磁感应强度恒为零。设内部= k ，试求解管内、外部空间的感生电场。【应用】半径为R螺线管内充满匀强磁场，磁感应强度随时间的变化率已知。求长为L的直导体在图中a、b、c三个位置的感应电动势大小分别是多少？二、电势、电流、能量和电量1、只要感应电路闭合，将会形成感应电流，进而导致能量的转化。关于感应电路的电流、能量和电量的计算，可以借助稳恒电流一章中闭合电路欧姆定律的知识。但是，在处理什么是“外电路”、什么是“内电路”的问题上，常常需要不同寻常的眼光。我们这里分两种情形归纳：如果发电是“动生”的，内电路就是(切割)运动部分；如果发电是“感生”的，内、外电路很难分清，需要具体问题具体分析，并适当运用等效思想。(内电路中的电动势分布还可能不均匀。)【例题】如图所示，均匀导体做成的半径为R的形环，内套半径为R/2的无限长螺线管，其内部的均匀磁场随时间正比例地增大，B=kt，试求导体环直径两端M、N的电势差UMN。【例题】在图所示的装置中，重G = 0.50N、宽L = 20cm的型导体置于水银槽中，空间存在区域很窄(恰好覆盖住导体)的、磁感应强度B = 2.0T的匀强磁场。现将开关K合上后，导体立即跳离水银槽，且跳起的最大高度h = 3.2cm ，重力加速度g = 10m/s2 ，忽略电源内阻。若通电时间t = 0.01s ，忽略导体加速过程产生的感应电动势，求通电过程流过导体的电量；【例题】在图所示的电路中，=12V，r=1.0，R1=2.0，R2=9.0，R3=15，L=2.0H。现让K先与A接通，然后迅速拨至B ，求自感线圈上可产生的最大自感电动势。练习：1. 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 2. 在半径为a的细长螺线管中，均匀磁场的磁感应强度随时间均匀增大，即B=B0+bt一均匀导线弯成等腰梯形闭合回路ABCDA，上底长为a，下底长为2a，总电阻为R，放置如图所示：试求：梯形各边上的感生电动势，及整个回路中的感生电动势；B、C两点间的电势差3. 两个同样的金属环半径为R，质量为m ，放在均匀磁场中，磁感应强度为B0，其方向垂直于环面，如图所示两环接触点A和C有良好的电接触，角=/3若突然撤去磁场，求每个环具有的速度构成环的这段导线的电阻为r，环的电感不计，在磁场消失时环的移动忽略不计，没有摩擦 4. 如图所示为一“电磁枪”，它有一轨距为l、电阻可以忽略的水平导轨，导轨另一端与一个电容为C、所充电压为U0的电容器相连接，该装置的电感可以忽略，整个装置放入均匀的竖直的磁感应强度为B的磁场中，一根无摩擦的质量为m、电阻为R的导体棒垂直于轨道放在导轨上，将开关翻转到b，求导体棒获得的最大速度vmax及这个“电磁枪”的最大效率 5. 如图所示， Ml M2和 M3 M4都是由无限多根无限长的外表面绝缘的细直导线紧密排列成的导线排横截面，两导线排相交成120，O O 为其角平分线每根细导线中都通有电流 I ，两导线排中电流的方向相反，其中Ml M2中电流的方向垂直纸面向里导线排中单位长度上细导线的根数为图中的矩形abcd 是用 N 型半导体材料做成的长直半导体片的横截面，（），长直半导体片与导线排中的细导线平行，并在片中通有均匀电流I0，电流方向垂直纸面向外已知 ab 边与 O O 垂直，l，该半导体材料内载流子密度为 n ，每个载流子所带电荷量的大小为 q 求此半导体片的左右两个侧面之间的电势差已知当细的无限长的直导线中通有电流 I 时，电流产生的磁场离直导线的距离为r处的磁感应强度的大小为 ,式中k为已知常量6. 如图所示，在正方形导线回路所围的区域A1A2A3A4内分布有方向垂直于回路平面向里的匀强磁场，磁感应强度B随时间以恒定的变化率增大，回路中的感应电流为I1.0mA已知A1A2、A3A4两边的电阻皆为零； A4A1 边的电阻R13.0k，A2A3边的电阻R27.0k。 1试求A1A2两点间的电压U12、A2A3两点间的电压U23、A3A4两点间的电压U34、A4A1两点间的电压U41 2若一内阻可视为无限大的电压表V位于正方形导线回路所在的平面内，其正负端与连线位置分别如图左、图中和图右所示，求三种情况下电压表的读数V1、V2、V37. 环形金属丝箍围在很长的直螺线管的中部，箍的轴与螺线管的轴重合，如图所示箍由两部分组成，每部分的电阻R1、R2不同且未知三个有内阻的伏特表接到两部分接头处A点和B点，并且导体AV3B严格地沿箍的直径放置，而导体AV1B和AV2B沿螺线管任意两个不同方位放置，交变电流通过螺线管，发现这时伏特表V3的读数u05 V，伏特表V1的读数u110 V问伏特表V2的读数是多少？螺线管外的磁场以及回路电感不计 8. 如图所示，均匀磁场的方向垂直纸面向里，磁感应强度随时间变化，（为大于0的常数）现有两个完全相同的均匀金属圆环相互交叠并固定在图中所示位置，环面处于图中纸面内。圆环的半径为，电阻为，相交点的电接触良好两个环的接触点与间的劣弧对圆心的张角为60。求时，每个环所受的均匀磁场的作用力，不考虑感应电流之间的作用