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07《大學(xué)物理學(xué)》恒定磁場(chǎng)練習(xí)題(馬)

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1、合肥學(xué)院《大學(xué)物理Ⅰ》自主學(xué)習(xí)材料 《大學(xué)物理學(xué)》恒定磁場(chǎng)部分自主學(xué)習(xí)材料 要掌握的典型習(xí)題: 1. 載流直導(dǎo)線的磁場(chǎng):已知:真空中、、、。 建立坐標(biāo)系,任取電流元,這里, P X 點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小:; 方向:垂直紙面向里。 統(tǒng)一積分變量:; 有:;。 則: 。 ①無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線:,;(也可用安培環(huán)路定理直接求出) ②半無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線:,。 2.圓型電流軸線上的磁場(chǎng):已知:、,求軸線上點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 建立坐標(biāo)系:任取電流元,P點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小: ;方向如圖。 分析對(duì)稱性、寫(xiě)出分量式: ;。 統(tǒng)一積分變量: ∴。 結(jié)論:大小為;方向滿足右手

2、螺旋法則。 ①當(dāng)時(shí),; ②當(dāng)時(shí),(即電流環(huán)環(huán)心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度):; ③對(duì)于載流圓弧,若圓心角為,則圓弧圓心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為:。 第③情況也可以直接用畢—沙定律求出:。 一、選擇題: 1.磁場(chǎng)的高斯定理說(shuō)明了下面的哪些敘述是正確的?( ) (a) 穿入閉合曲面的磁感應(yīng)線條數(shù)必然等于穿出的磁感應(yīng)線條數(shù); (b) 穿入閉合曲面的磁感應(yīng)線條數(shù)不等于穿出的磁感應(yīng)線條數(shù); (c) 一根磁感應(yīng)線可以終止在閉合曲面內(nèi); (d) 一根磁感應(yīng)線可以完全處于閉合曲面內(nèi)。 (A)ad; (B)ac; (C)cd; (D)ab。 【提示:略】 7-2.如圖所示,在磁感應(yīng)強(qiáng)度B的

3、均勻磁場(chǎng)中作一半經(jīng)為的半球面S, S向邊線所在平面法線方向單位矢量與的夾角為,則通過(guò)半球面 S的磁通量(取凸面向外為正)為: ( ) (A);(B);(C);(D)。 【提示:由通量定義知為】 7--2.在圖(a)和(b)中各有一半徑相同的圓形回路、,圓周內(nèi)有電流、,其分布相同,且均在真空中,但在(b)圖中回路外有電流,、為兩圓形回路上的對(duì)應(yīng)點(diǎn),則:( ) (A),; (B),; (C),; (D),。 【提示:用判斷有;但P點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)等于空間各電流在P點(diǎn)產(chǎn)生磁感強(qiáng)度的矢量和】 7--1.如圖所示,半徑為R的載流圓形線圈

4、與邊長(zhǎng)為a的 正方形載流線圈中通有相同的電流I,若兩線圈中心的 磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等,則半徑與邊長(zhǎng)之比為:( ) (A);(B);(C);(D)。 【載流圓形線圈為:;正方形載流線圈為:,則當(dāng)時(shí),有】 7-1.兩根長(zhǎng)度L相同的細(xì)導(dǎo)線分別密繞在半徑為和()的兩個(gè)長(zhǎng)直圓筒上形成兩個(gè)螺線管,兩個(gè)螺線管長(zhǎng)度相同,通過(guò)的電流相同,則在兩個(gè)螺線管中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小之比為: ( ) (A)4; (B)2; (C)1; (D)。 【提示:用判斷。考慮到,】 6.如圖所示,在無(wú)限長(zhǎng)

5、載流直導(dǎo)線附近作一球形閉合曲面S,當(dāng)球面S向長(zhǎng)直導(dǎo)線靠近時(shí),穿過(guò)球面S的磁通量和面上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B將如何變化?( ) (A)增大,B也增大;(B)不變,B也不變; (C)增大,B不變;(D)不變,B增大。 【提示:由磁場(chǎng)的高斯定理知不變,但無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線附近磁場(chǎng)分布為:】 7.兩個(gè)載有相等電流I的半徑為R的圓線圈一個(gè)處于水平位置,一個(gè)處于豎直位置,兩個(gè)線圈的圓心重合,則在圓心O處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為多少? ( ) (A)0;(B);(C);(D)。 【提示:載流圓線圈在圓心處為,水平線圈磁場(chǎng)方向向上,豎直線圈磁場(chǎng)方向向里,∴合成后磁場(chǎng)大小為】 7-11.如圖所示,無(wú)限

6、長(zhǎng)直導(dǎo)線在處彎成半徑為的圓,當(dāng)通以電流時(shí), 則在圓心O點(diǎn)的磁感強(qiáng)度大小等于:( ) (A) ;(B) ;(C) ;(D) 。 【提示:載流圓線圈在圓心處為,無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線磁場(chǎng)大小為,方向相反,合成】 9.如圖所示,有一無(wú)限大通有電流的扁平銅片,寬度為a,厚度不計(jì),電流I在銅片上均勻分布,在銅片外與銅片共面,離銅片左邊緣為b處的P點(diǎn)的磁感強(qiáng)度的大小為:( ) (A) ; (B) ; (C) ; (D) 。 【提示:無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線磁場(chǎng)大小為。若以銅片左邊緣為原點(diǎn),水平向右為x軸,有:,積分有:。注意:】 10.一根很長(zhǎng)的電纜線由兩個(gè)同軸的圓柱面導(dǎo)體組成,若這兩個(gè)

7、圓柱面的半徑分別為R1和R2(R1R2時(shí), 】 11.有一半徑R的單匝圓線圈,通有電流I,若將該導(dǎo)線彎成匝數(shù)N = 2的平面圓線圈,導(dǎo)線長(zhǎng)度不變,并通以同樣的電流,則線圈中心的磁感強(qiáng)度和線圈的磁矩分別是原來(lái)的( )

8、 (A) 4倍和1/8;(B) 4倍和1/2;(C) 2倍和1/4;(D) 2倍和1/2。 【提示:載流圓線圈在圓心磁場(chǎng)為,導(dǎo)線長(zhǎng)度為,利用,有,∴;磁矩可利用求出,∵,,∴】 12.洛侖茲力可以( ) (A)改變帶電粒子的速率; (B)改變帶電粒子的動(dòng)量; (C)對(duì)帶電粒子作功; (D)增加帶電粒子的動(dòng)能。 【提示:由于洛侖茲力總是與帶電粒子的速度方向垂直,所以只改變粒子的運(yùn)動(dòng)方向而不改變粒子的速率】 13.一張氣泡室照片表明,質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)軌跡是一半徑為0.10m的圓弧,運(yùn)動(dòng)軌跡平面與磁感強(qiáng)度大小為0.3Wb/m2的磁場(chǎng)垂直,該質(zhì)子動(dòng)能的數(shù)量級(jí)

9、為:( ) (A)0.01MeV; (B)1MeV; (C)0.1MeV; (D)10Mev 【提示:由知,有】 7--3.一個(gè)半導(dǎo)體薄片置于如圖所示的磁場(chǎng)中,薄片通有方向 向右的電流I,則此半導(dǎo)體兩側(cè)的霍爾電勢(shì)差:( ) (A)電子導(dǎo)電,;(B)電子導(dǎo)電,; (C)空穴導(dǎo)電,;(D)空穴導(dǎo)電,。 【提示:如果主要是電子導(dǎo)電,據(jù)左手定則,知b板集聚負(fù)電荷,有;如果主要是空穴導(dǎo)電,據(jù)左手定則,知b板集聚正電荷,有】 15.一個(gè)通有電流I的導(dǎo)體,厚度為d,橫截面積為S,放在磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向如圖所示,現(xiàn)測(cè)得導(dǎo)體上下兩面電勢(shì)差為UH,則此導(dǎo)體的霍爾

10、系數(shù)為:( ) (A);(B);(C);(D)。 【提示:霍爾系數(shù)為:,而霍爾電壓為:,∴】 16.如圖所示,處在某勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的載流金屬導(dǎo)體塊中出現(xiàn)霍耳效應(yīng),測(cè)得兩底面、的電勢(shì)差為,則圖中所加勻 強(qiáng)磁場(chǎng)的方向?yàn)椋海? ) (A)豎直向上; (B)豎直向下; (C)水平向前; (D)水平向后。 【提示:金屬導(dǎo)體主要是電子導(dǎo)電,由題知N板集聚負(fù)電荷,據(jù)左手定則,知強(qiáng)磁場(chǎng)方向水平向前】 17.有一由N匝細(xì)導(dǎo)線繞成的平面正三角形線圈,邊長(zhǎng)為, 通有電流,置于均勻外磁場(chǎng)中,當(dāng)線圈平面的法向與外磁場(chǎng)方向成時(shí),該線圈所受的磁力矩Mm為:( ) (A) ;(B

11、) ;(C) ;(D) 。 【提示:磁矩為, ,,∴】 18.用細(xì)導(dǎo)線均勻密繞成長(zhǎng)為、半徑為(>>)、總匝數(shù)為的螺線管,通以穩(wěn)恒電流,當(dāng)管內(nèi)充滿相對(duì)磁導(dǎo)率為的均勻介質(zhì)后,管中任意一點(diǎn)的( ) (A)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為; (B)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為; (C)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小為; (D)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小為。 【提示:螺線管。而,有;又,有】 19.如圖所示的一細(xì)螺繞環(huán),它由表面絕緣的導(dǎo)線在鐵環(huán)上密繞而成,每厘米繞匝.當(dāng)導(dǎo)線中的電流為時(shí),測(cè)得鐵環(huán)內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為,則可求得鐵環(huán)的相對(duì)磁導(dǎo)率為(真空磁導(dǎo)率) ( ) (A) ;(B) ;(C) ;;(D) 。 【提示

12、:螺線管。取n=103】 20.半徑為R的無(wú)限長(zhǎng)圓柱形直導(dǎo)線置于無(wú)窮大均勻磁介質(zhì)中,其相對(duì)磁導(dǎo)率為,導(dǎo)線內(nèi)通有電流強(qiáng)度為I的恒定電流,則磁介質(zhì)內(nèi)的磁化強(qiáng)度M為:( ) (A);(B);(C);(D)。 【提示:由安培環(huán)路定理知:,再由有:,考慮到有:】 7--4.磁介質(zhì)有三種,用相對(duì)磁導(dǎo)率表征它們各自的特性時(shí):( ) (A)順磁質(zhì),抗磁質(zhì),鐵磁質(zhì); (B)順磁質(zhì),抗磁質(zhì),鐵磁質(zhì) ; (C)順磁質(zhì),抗磁質(zhì),鐵磁質(zhì) ; (D)順磁質(zhì),抗磁質(zhì),鐵磁質(zhì)。 【提示:略】 7--5.兩種不同磁性材料做的小棒,分別放在兩個(gè)磁鐵的兩個(gè)磁極之間,小棒被磁化后在磁極 間處于不同的方位

13、,如圖所示,則:( ) (A)棒是順磁質(zhì), 棒是抗磁質(zhì); (B)棒是順磁質(zhì), 棒是順磁質(zhì); (C)棒是抗磁質(zhì), 棒是順磁質(zhì); (D)棒是抗磁質(zhì), 棒是抗磁質(zhì)。 【提示:略】 二、填空題 1.一條載有的電流的無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線,在離它遠(yuǎn)的地方產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為 。 【提示:由安培環(huán)路定理知,有:】 2.一條無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線,在離它遠(yuǎn)的地方它產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度是,它所載的電流為 。 【提示:利用,可求得】 7-15.如圖所示,一條無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線載有電流,在離它遠(yuǎn)的地方的 長(zhǎng)寬的矩形框內(nèi)穿過(guò)的磁通量

14、 。 【提示:由安培環(huán)路定理知,再由有:】 7-9.地球北極的磁場(chǎng)可實(shí)地測(cè)出。如果設(shè)想地球磁場(chǎng)是由地球赤道上的一個(gè)假想的圓電流(半徑為地球半徑R)所激發(fā)的,則此電流大小為 。 【提示:利用載流圓環(huán)在軸線上產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度公式:,有。則】 5.形狀如圖所示的導(dǎo)線,通有電流I,放在與勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直的平 面內(nèi),導(dǎo)線所受的磁場(chǎng)力 。 【提示:考慮,再參照書(shū)P271例2可知:】 6.如圖所示,平行放置在同一平面內(nèi)的三條載流長(zhǎng)直導(dǎo)線, 要使導(dǎo)線AB所受的安培力等于零,則x等于 。 【提示:無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)

15、,考慮導(dǎo)線AB所在處的合磁場(chǎng)為0,有:,解得:】 7.如圖所示,兩根無(wú)限長(zhǎng)載流直導(dǎo)線相互平行,通過(guò)的電流分別為和。則 , 。 【提示:L1包圍I1和I2兩個(gè)反向電流,有:,而L2由于特殊的繞向,包圍I1和I2兩個(gè)同向電流,有:】 8.真空中一載有電流I的長(zhǎng)直螺線管,單位長(zhǎng)度的線圈匝數(shù)為n,管內(nèi)中段部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 ,端點(diǎn)部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 。 【提示:“無(wú)限長(zhǎng)”螺線管內(nèi)的磁感強(qiáng)度為,“半無(wú)限長(zhǎng)”螺線管端點(diǎn)處的磁感強(qiáng)度為一半:】 9.半徑為,載有電流為的細(xì)半圓環(huán)在其圓心處O 點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度

16、 ;如果上述條件的半圓改為的圓弧,則圓心處O點(diǎn)磁感強(qiáng)度 。 【提示:圓弧在圓心點(diǎn)產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度:,∴半圓環(huán)為;圓弧為 】 10.如圖所示,ABCD是無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線,通以電流I,BC段 被彎成半徑為R的半圓環(huán),CD段垂直于半圓環(huán)所在的平面, AB的沿長(zhǎng)線通過(guò)圓心O和C點(diǎn)。則圓心O處的磁感應(yīng)強(qiáng)度 大小為 。 【提示:AB段的延長(zhǎng)線過(guò)O點(diǎn),對(duì)O的磁感強(qiáng)度沒(méi)有貢獻(xiàn)。BC半圓弧段在O點(diǎn)產(chǎn)生方向垂直于圓弧平面向里的磁感強(qiáng)度:,半無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線CD在O點(diǎn)處產(chǎn)生方向在圓弧平面內(nèi)向下的磁感強(qiáng)度:,∴】 7-12.一無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線彎成如圖形狀,彎曲部

17、分是一半徑為的半圓,兩直線部分平行且與半圓平面垂直,如在導(dǎo)線上通有電流,方向如圖。圓心O處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 。 【提示:同上題。半圓弧段在O點(diǎn)產(chǎn)生方向垂直于圓弧平面向里的磁感強(qiáng)度:,兩個(gè)半無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線在O點(diǎn)處都產(chǎn)生方向在圓弧平面內(nèi)向下的磁感強(qiáng)度:,∴】 7-11.兩圖中都通有電流,方向如圖示,已知圓的 半徑為,則真空中O處的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小和方向?yàn)椋? 左圖O處的磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小為 , 方向?yàn)? ; 右圖O處的磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小為 ,方向?yàn)? 。 【提示:左圖半圓弧段

18、:,兩個(gè)半無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線:,方向都是垂直于紙面向里,∴;右圖1/4圓?。?,方向是垂直于紙面向外,兩直導(dǎo)線的延長(zhǎng)線都過(guò)O點(diǎn),對(duì)O的磁感強(qiáng)度沒(méi)有貢獻(xiàn)。】 13.有一相對(duì)磁導(dǎo)率為500的環(huán)形鐵芯,環(huán)的平均半徑為10cm,在它上面均勻地密繞著360匝線圈,要使鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.15T,應(yīng)在線圈中通過(guò)的電流為 。 【提示:利用有, 則,解得】 7-10.兩根長(zhǎng)直導(dǎo)線沿半徑方向引到鐵環(huán)上的A、B兩點(diǎn),并與很遠(yuǎn)的 電源相連,如圖所示,環(huán)中心O的磁感應(yīng)強(qiáng)度 。 【提示:圓環(huán)被分成兩段圓弧,在O點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反,圓弧產(chǎn)生磁感強(qiáng)度滿足,顯然,優(yōu)弧所對(duì)的圓心角大,但優(yōu)

19、弧和劣弧并聯(lián),劣弧的電阻小,所分配的電流大。圓心角和電流正好相對(duì)漲落,也可經(jīng)過(guò)計(jì)算得知:】 7-19.電流I均勻流過(guò)半徑為R的圓形長(zhǎng)直導(dǎo)線,則單位長(zhǎng)直導(dǎo)線 通過(guò)圖中所示剖面的磁通量 。 【提示:在導(dǎo)線內(nèi)部r處磁場(chǎng)分布為,則磁通量,經(jīng)計(jì)算知:】 三、計(jì)算題 7-13.如圖所示,一半徑為R的無(wú)限長(zhǎng)半圓柱面導(dǎo)體,沿長(zhǎng)度方向的 電流I在柱面上均勻分布,求中心軸線OO 上的磁感強(qiáng)度。 7-14.如圖所示為亥姆赫茲線圈,是由一對(duì)完全相同、 彼此平行的線圈構(gòu)成。若它們的半徑均為R,電流 均為I,相距也為R,則中心軸線上O、O 1、O 2上 的磁感強(qiáng)度分別為多少

20、? 7-25.霍爾效應(yīng)可用來(lái)測(cè)量血流的速度,其原理如圖所示, 在動(dòng)脈血管兩側(cè)分別安裝電極并加以磁場(chǎng)。設(shè)血管的直 徑為2mm,磁場(chǎng)為0.080T,毫伏表測(cè)出血管上下兩端的 電壓為0.10mV,血管的流速為多大? 7-29.如圖所示,一根長(zhǎng)直導(dǎo)線載有電流為I1,矩形 回路上的電流為I2,計(jì)算作用在回路上的合力。 7-33.在氫原子中,設(shè)電子以軌道角動(dòng)量繞質(zhì)子作圓周運(yùn)動(dòng),其半徑r為,求質(zhì)子所在處的磁感強(qiáng)度。(h為普朗克常數(shù):) 7-34.半徑為R的薄圓盤(pán)均勻帶電,電荷面密度為, 令此盤(pán)繞通過(guò)盤(pán)心且垂直盤(pán)面的軸線作勻速轉(zhuǎn)動(dòng), 角速度為,求軸線上距

21、盤(pán)心x處的磁感強(qiáng)度的 大小和旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)的磁矩。 7-35.一根同軸電纜線由半徑為R1的長(zhǎng)導(dǎo)線和套在它外面的 半徑為R2的同軸薄導(dǎo)體圓筒組成,中間充滿相對(duì)磁導(dǎo)率 為()的磁介質(zhì),如圖所示。傳導(dǎo)電流沿導(dǎo)線 向上流去,由圓筒向下流回,電流在截面上均勻分布。求 空間各區(qū)域內(nèi)的磁感強(qiáng)度和磁化電流。 8.螺繞環(huán)中心周長(zhǎng)l=10cm,環(huán)上均勻密繞線圈N=200匝,線圈中通有電流I=100mA。 (1)求管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0和磁場(chǎng)強(qiáng)度H0; (2)若管內(nèi)充滿相對(duì)磁導(dǎo)率=4200的磁性物質(zhì),則管內(nèi)的B和H是多少? (3)磁性物質(zhì)內(nèi)由導(dǎo)線中電流產(chǎn)生的和由磁化電流產(chǎn)生的各是多少?

22、 磁場(chǎng)部分自主學(xué)習(xí)材料解答 一、選擇題: 1.A 2.D3.C4.C5.D6.D7.C8.C9.C10.C11.B12.B13.A14.B15.A16.C17.B18.D19.A20.B21.C22.C 三、計(jì)算題 1.解:畫(huà)出導(dǎo)體截面圖可見(jiàn): 電流元電流, 產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為:,方向如圖; 由于對(duì)稱性,在y軸上的分量的積分;在x軸上的分量為: ,∴。方向?yàn)镺x軸負(fù)向。 2.解:利用載流圓環(huán)在軸線上產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度公式:, 有O上的磁感強(qiáng)度:; O 1上的磁感強(qiáng)度: 同理O 2上的磁感強(qiáng)度產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度也為:。 3.解:洛侖茲力解釋霍爾效應(yīng)的方法是: “動(dòng)平衡時(shí),電

23、場(chǎng)力與洛侖茲力相等”。 有:,則;又∵,則: 。 4.解:由安培環(huán)路定律知: 電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布為:,方向; 則回路左端受到的安培力方向向左,大小:; 回路右端受到的安培力方向向右,大?。?; 回路上端受到的安培力方向向上,大?。?; 回路上端受到的安培力方向向下,大小:; 合力為:,方向向左。 5.解:由電流公式知電子繞核運(yùn)動(dòng)的等價(jià)電流為:, 由知,有;利用得: ∴。 6.解:如圖取半徑為r,寬為dr的環(huán)帶。 元電流:, 而, ∴ 利用載流圓環(huán)在軸線上產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度公式: ,有 ,有: ,方向:x軸正向。磁矩公式: 如圖取微元: ,方向:x軸正向。 7.解:因磁場(chǎng)柱對(duì)稱,取同軸的圓形安培環(huán)路用公式有: 當(dāng)時(shí),,得:; 當(dāng)時(shí),,得:; 當(dāng)時(shí),,得:; 考慮到導(dǎo)體的相對(duì)磁導(dǎo)率為1,利用公式,有: ,,。 再利用公式,得:,, 則磁介質(zhì)內(nèi)外表面的磁化電流可由求出: 當(dāng)時(shí),磁介質(zhì)內(nèi)側(cè)的磁化電流為:; 當(dāng)時(shí),磁介質(zhì)外側(cè)的磁化電流為:。 8.解:(1)由, 而; (2)若,則:,; (3)由,有。 恒定磁場(chǎng)-12

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