如圖8-7所示，兩個(gè)質(zhì)量均為m的完全相同的金屬球殼a與b，其殼層的厚度和質(zhì)量分布均勻，將它們固定于絕緣支座上，兩球心間的距離為L(zhǎng)，為球半徑的3倍。若使它們帶上等量異種電荷，使其電量的絕對(duì)值均為Q，那么，a、b兩球之間的萬有引力F引庫侖力F庫分別為：

　　

　　【錯(cuò)解分析】錯(cuò)解：

　�。�1）因?yàn)閍，b兩帶電球殼質(zhì)量分布均勻，可將它們看作質(zhì)量集中在球心的質(zhì)點(diǎn)，也可看作點(diǎn)電荷，因此，萬有引力定律和庫侖定律對(duì)它們都適用，故其正確答案應(yīng)選A。

　�。�2）依題意，a，b兩球中心間的距離只有球半徑的3倍，它們不能看作質(zhì)點(diǎn)，也不能看作點(diǎn)電荷，因此，既不能用萬有引力定律計(jì)算它們之間的萬有引力，也不能用庫侖定律計(jì)算它們之間的靜電力，故其正確答案應(yīng)選B。

　　由于一些同學(xué)對(duì)萬有引力定律和庫侖定律的適用條件理解不深刻，產(chǎn)生了上述兩種典型錯(cuò)解，因庫侖定律只適用于可看作點(diǎn)電荷的帶電體，而本題中由于a，b兩球所帶異種電荷的相互吸引，使它們各自的電荷分布不均勻，即相互靠近的一側(cè)電荷分布比較密集，又因兩球心間的距離L只有其半徑r的3倍，不滿足L＞＞r的要求，故不能將兩帶電球殼看成點(diǎn)電荷，所以不能應(yīng)用庫侖定律。

　　【正確解答】

　　萬有引力定律適用于兩個(gè)可看成質(zhì)點(diǎn)的物體，雖然兩球心間的距離L只有其半徑r的3倍，但由于其殼層的厚度和質(zhì)量分布均勻，兩球殼可看作質(zhì)量集中于球心的質(zhì)點(diǎn)。因此，可以應(yīng)用萬有引力定律。

練習(xí)冊(cè)系列答案
相關(guān)習(xí)題

科目：高中物理 來源： 題型：閱讀理解

[1]在“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”實(shí)驗(yàn)中，需要將橡皮條的一端固定在水平木板上，橡皮條的另一端系兩根細(xì)繩，細(xì)繩端帶有繩套，先用兩個(gè)彈簧秤分別勾住繩套并互成角度地拉橡皮條，把橡皮條的結(jié)點(diǎn)拉到某-位置Ο并記下該點(diǎn)的位置；再用一個(gè)彈簧秤將橡皮條結(jié)點(diǎn)拉到同一位置Ο點(diǎn)．
（1）某同學(xué)認(rèn)為在此過程中必須注意以下幾項(xiàng)：
A．兩根細(xì)繩必須等長(zhǎng)
B．橡皮條應(yīng)與兩繩夾角的平分線在同一直線上
C．在使用彈簧秤時(shí)要注意使彈簧秤與木板平面平行
D．在用兩個(gè)彈簧秤同時(shí)拉細(xì)繩時(shí)要注意使兩個(gè)彈簧秤的讀數(shù)相等
E．在用一個(gè)彈簧秤拉時(shí)必須將橡皮條的結(jié)點(diǎn)拉到用兩個(gè)彈簧秤同時(shí)拉細(xì)繩時(shí)記下位置
其中正確的是
 
．（填入相應(yīng)的字母）
（2）某同學(xué)在坐標(biāo)紙上畫出了如圖1所示的兩個(gè)已知力F1和F2，圖中小正方形的邊長(zhǎng)表示2N，兩力的合力用F表示，F(xiàn)1．F2與F的夾角分別為θ1和θ2，關(guān)于F1．F2與F．θ1和θ2關(guān)系正確的有：
 

精英家教網(wǎng)
A． F1=4N   B． F=12N    C．θ1=45°   D．θ1＜θ2
[2]某同學(xué)想描繪一只標(biāo)稱為“2.5V，1.5W”的小燈泡的伏安特性曲線，實(shí)驗(yàn)室提供下列器材：
A．電流表A1（量程3.0A，內(nèi)阻約0.2Ω）
B．電流表A2（量程0.6A，內(nèi)阻約1Ω）
C．電壓表V1（量程3.0V，內(nèi)阻約3kΩ）
D．電壓表V2（量程15.0V，內(nèi)阻約10kΩ）
E．滑動(dòng)變阻器R1（最大阻值為5Ω，最大允許電流為2A）
F．滑動(dòng)變阻器R2（最大阻值為500Ω，最大允許電流為0.5A）
G．電源E（電動(dòng)勢(shì)3V，內(nèi)阻為0.25Ω）
H．電鍵、導(dǎo)線若干
（1）為了更好地完成實(shí)驗(yàn)，應(yīng)選擇的器材為：電流表
 
，電壓表
 
，滑動(dòng)變阻器
 
；（選填器材前面的字母）
（2）請(qǐng)你在如圖2所示的方框中作出實(shí)驗(yàn)原理圖；
實(shí)驗(yàn)次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8
電壓U/V 0 0.20 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00 2.40
電流I/A 0 0.11 0.21 0.33 0.40 0.45 0.48 0.52
（3）正確連接電路后，該同學(xué)測(cè)出如下表所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，請(qǐng)你在圖3的坐標(biāo)紙上描出該燈泡的伏安特性曲線（如圖3所示）；
（4）該同學(xué)完成實(shí)驗(yàn)后，又將本實(shí)驗(yàn)所用器材按如圖4所示連接，閉合開關(guān)后將滑動(dòng)變阻器滑片從左向右滑動(dòng)，發(fā)現(xiàn)小燈泡先變暗后變亮，則小燈泡最暗時(shí)的功率約為
 
W．（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）

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科目：高中物理 來源： 題型：閱讀理解

材料:圖7(甲)所示是證實(shí)玻爾關(guān)于原子內(nèi)部能量量子化的一種實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,由電子槍A射出的電子,射入充有氦氣的容器B中,電子在O點(diǎn)與氦原子發(fā)生碰撞后進(jìn)入速度選擇器C,而氦原子由低能級(jí)被激發(fā)到高能級(jí).速度選擇器C由兩個(gè)同心的圓弧形電極P1和P2組成,電極間場(chǎng)強(qiáng)方向沿同心圓的半徑,當(dāng)兩極間電壓為U時(shí),只允許具有確定能量的電子通過,并進(jìn)入檢測(cè)裝置口,由檢測(cè)裝置口測(cè)出電子產(chǎn)生的電流I,改變電壓,同時(shí)測(cè)出I的數(shù)值,即可確定碰撞后進(jìn)入速度選擇器的電子能量分布.為了方便研究,作如下假設(shè):

    

甲                                                      乙

圖7

(1)忽略電子的重力;

(2)電子與原子碰撞前,原子靜止,原子質(zhì)量比電子質(zhì)量大很多,碰撞后原子雖稍微被碰動(dòng),但忽略這一能量損失,假定原子未動(dòng);

(3)當(dāng)電子與原子發(fā)生彈性碰撞時(shí),電子改變運(yùn)動(dòng)方向,但不損失動(dòng)能;發(fā)生非彈性碰撞時(shí),電子損失動(dòng)能傳給原子,使原子內(nèi)部能量增加.

請(qǐng)根據(jù)以上材料和假設(shè)回答下列問題:

(1)設(shè)速度選擇器兩極間的電壓為U(V)時(shí),允許通過的電子的動(dòng)能為Ek(eV),寫出Ek與U的關(guān)系式,設(shè)通過選擇器的電子軌道半徑r=20.0 cm,電極P1和P2的間隔d=10.0 mm,兩極間場(chǎng)強(qiáng)大小處處相同,都為E;

(2)如果電子槍射出電子的動(dòng)能Ek=50.0 eV,改變P1、P2間電壓,測(cè)得電流I,得到如圖8(乙)所示的I-U圖象,圖象表明,當(dāng)電壓U為5.00 V、2.88 V、2.72 V、2.64 V時(shí)電流出現(xiàn)峰值,試說明在U=5.00 V和U=2.88 V時(shí)電子與氦原子碰撞時(shí)電子能量的變化.

(3)求氦原子3個(gè)激發(fā)態(tài)的能級(jí)En.(設(shè)基態(tài)的能級(jí)E1=0)

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科目：高中物理 來源： 題型：

某同學(xué)在本節(jié)的實(shí)驗(yàn)中，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄了被小車拖動(dòng)的紙帶的運(yùn)動(dòng)情況，在紙帶上確定出A、B、C、D、E、F、G共7個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，其相鄰點(diǎn)間的距離如圖2-7所示，每?jī)蓚�(gè)相鄰的計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為0.10 s.

圖2-7

(1)試根據(jù)紙帶上各個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離，計(jì)算出打下B、C、D、E、F五個(gè)點(diǎn)時(shí)小車的瞬時(shí)速度，并將各個(gè)速度值填入下式(要求保留三位有效數(shù)字)

vB＝      m/s,vC＝       ｍ/s,

vＤ＝      m/s，vＥ＝      m/s,

vＦ＝      m/s.

(2)將B、C、D、E、F各個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)速度標(biāo)在如圖2-8所示的坐標(biāo)紙上，并畫出小車的瞬時(shí)速度隨時(shí)間變化的關(guān)系圖線.

圖2-8

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科目：高中物理 來源： 題型：閱讀理解

第十部分 磁場(chǎng)

第一講 基本知識(shí)介紹

《磁場(chǎng)》部分在奧賽考剛中的考點(diǎn)很少，和高考要求的區(qū)別不是很大，只是在兩處有深化：a、電流的磁場(chǎng)引進(jìn)定量計(jì)算；b、對(duì)帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了更深入的分析。

一、磁場(chǎng)與安培力

1、磁場(chǎng)

a、永磁體、電流磁場(chǎng)→磁現(xiàn)象的電本質(zhì)

b、磁感強(qiáng)度、磁通量

c、穩(wěn)恒電流的磁場(chǎng)

*畢奧-薩伐爾定律（Biot-Savart law）：對(duì)于電流強(qiáng)度為I 、長(zhǎng)度為dI的導(dǎo)體元段，在距離為r的點(diǎn)激發(fā)的“元磁感應(yīng)強(qiáng)度”為dB 。矢量式d= k，（d表示導(dǎo)體元段的方向沿電流的方向、為導(dǎo)體元段到考查點(diǎn)的方向矢量）；或用大小關(guān)系式dB = k結(jié)合安培定則尋求方向亦可。其中 k = 1.0×10?7N/A2 。應(yīng)用畢薩定律再結(jié)合矢量疊加原理，可以求解任何形狀導(dǎo)線在任何位置激發(fā)的磁感強(qiáng)度。

畢薩定律應(yīng)用在“無限長(zhǎng)”直導(dǎo)線的結(jié)論：B = 2k ；

*畢薩定律應(yīng)用在環(huán)形電流垂直中心軸線上的結(jié)論：B = 2πkI ；

*畢薩定律應(yīng)用在“無限長(zhǎng)”螺線管內(nèi)部的結(jié)論：B = 2πknI 。其中n為單位長(zhǎng)度螺線管的匝數(shù)。

2、安培力

a、對(duì)直導(dǎo)體，矢量式為 = I；或表達(dá)為大小關(guān)系式 F = BILsinθ再結(jié)合“左手定則”解決方向問題（θ為B與L的夾角）。

b、彎曲導(dǎo)體的安培力

⑴整體合力

折線導(dǎo)體所受安培力的合力等于連接始末端連線導(dǎo)體（電流不變）的的安培力。

證明：參照?qǐng)D9-1，令MN段導(dǎo)體的安培力F1與NO段導(dǎo)體的安培力F2的合力為F，則F的大小為

F = 

  = BI

  = BI

關(guān)于F的方向，由于ΔFF2P∽ΔMNO，可以證明圖9-1中的兩個(gè)灰色三角形相似，這也就證明了F是垂直MO的，再由于ΔPMO是等腰三角形（這個(gè)證明很容易），故F在MO上的垂足就是MO的中點(diǎn)了。

證畢。

由于連續(xù)彎曲的導(dǎo)體可以看成是無窮多元段直線導(dǎo)體的折合，所以，關(guān)于折線導(dǎo)體整體合力的結(jié)論也適用于彎曲導(dǎo)體。（說明：這個(gè)結(jié)論只適用于勻強(qiáng)磁場(chǎng)。）

⑵導(dǎo)體的內(nèi)張力

彎曲導(dǎo)體在平衡或加速的情形下，均會(huì)出現(xiàn)內(nèi)張力，具體分析時(shí)，可將導(dǎo)體在被考查點(diǎn)切斷，再將被切斷的某一部分隔離，列平衡方程或動(dòng)力學(xué)方程求解。

c、勻強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)線圈的轉(zhuǎn)矩

如圖9-2所示，當(dāng)一個(gè)矩形線圈（線圈面積為S、通以恒定電流I）放入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，且磁場(chǎng)B的方向平行線圈平面時(shí)，線圈受安培力將轉(zhuǎn)動(dòng)（并自動(dòng)選擇垂直B的中心軸OO′，因?yàn)橘|(zhì)心無加速度），此瞬時(shí)的力矩為

M = BIS

幾種情形的討論——

⑴增加匝數(shù)至N ，則 M = NBIS ；

⑵轉(zhuǎn)軸平移，結(jié)論不變（證明從略）；

⑶線圈形狀改變，結(jié)論不變（證明從略）；

*⑷磁場(chǎng)平行線圈平面相對(duì)原磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)α角，則M = BIScosα ，如圖9-3；

證明：當(dāng)α = 90°時(shí)，顯然M = 0 ，而磁場(chǎng)是可以分解的，只有垂直轉(zhuǎn)軸的的分量Bcosα才能產(chǎn)生力矩…

⑸磁場(chǎng)B垂直O(jiān)O′軸相對(duì)線圈平面旋轉(zhuǎn)β角，則M = BIScosβ ，如圖9-4。

證明：當(dāng)β = 90°時(shí)，顯然M = 0 ，而磁場(chǎng)是可以分解的，只有平行線圈平面的的分量Bcosβ才能產(chǎn)生力矩…

說明：在默認(rèn)的情況下，討論線圈的轉(zhuǎn)矩時(shí)，認(rèn)為線圈的轉(zhuǎn)軸垂直磁場(chǎng)。如果沒有人為設(shè)定，而是讓安培力自行選定轉(zhuǎn)軸，這時(shí)的力矩稱為力偶矩。

二、洛侖茲力

1、概念與規(guī)律

a、 = q，或展開為f = qvBsinθ再結(jié)合左、右手定則確定方向（其中θ為與的夾角）。安培力是大量帶電粒子所受洛侖茲力的宏觀體現(xiàn)。

b、能量性質(zhì)

由于總垂直與確定的平面，故總垂直 ，只能起到改變速度方向的作用。結(jié)論：洛侖茲力可對(duì)帶電粒子形成沖量，卻不可能做功。或：洛侖茲力可使帶電粒子的動(dòng)量發(fā)生改變卻不能使其動(dòng)能發(fā)生改變。

問題：安培力可以做功，為什么洛侖茲力不能做功？

解說：應(yīng)該注意“安培力是大量帶電粒子所受洛侖茲力的宏觀體現(xiàn)”這句話的確切含義——“宏觀體現(xiàn)”和“完全相等”是有區(qū)別的。我們可以分兩種情形看這個(gè)問題：（1）導(dǎo)體靜止時(shí)，所有粒子的洛侖茲力的合力等于安培力（這個(gè)證明從略）；（2）導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)時(shí)，粒子參與的是沿導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)v1和導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)v2的合運(yùn)動(dòng)，其合速度為v ，這時(shí)的洛侖茲力f垂直v而安培力垂直導(dǎo)體棒，它們是不可能相等的，只能說安培力是洛侖茲力的分力f1 = qv1B的合力（見圖9-5）。

很顯然，f1的合力（安培力）做正功，而f不做功（或者說f1的正功和f2的負(fù)功的代數(shù)和為零）。（事實(shí)上，由于電子定向移動(dòng)速率v1在10?5m/s數(shù)量級(jí)，而v2一般都在10?2m/s數(shù)量級(jí)以上，致使f1只是f的一個(gè)極小分量。）

☆如果從能量的角度看這個(gè)問題，當(dāng)導(dǎo)體棒放在光滑的導(dǎo)軌上時(shí)（參看圖9-6），導(dǎo)體棒必獲得動(dòng)能，這個(gè)動(dòng)能是怎么轉(zhuǎn)化來的呢？

若先將導(dǎo)體棒卡住，回路中形成穩(wěn)恒的電流，電流的功轉(zhuǎn)化為回路的焦耳熱。而將導(dǎo)體棒釋放后，導(dǎo)體棒受安培力加速，將形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（反電動(dòng)勢(shì)）。動(dòng)力學(xué)分析可知，導(dǎo)體棒的最后穩(wěn)定狀態(tài)是勻速運(yùn)動(dòng)（感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于電源電動(dòng)勢(shì)，回路電流為零）。由于達(dá)到穩(wěn)定速度前的回路電流是逐漸減小的，故在相同時(shí)間內(nèi)發(fā)的焦耳熱將比導(dǎo)體棒被卡住時(shí)少。所以，導(dǎo)體棒動(dòng)能的增加是以回路焦耳熱的減少為代價(jià)的。

2、僅受洛侖茲力的帶電粒子運(yùn)動(dòng)

a、⊥時(shí)，勻速圓周運(yùn)動(dòng)，半徑r =  ，周期T = 

b、與成一般夾角θ時(shí)，做等螺距螺旋運(yùn)動(dòng)，半徑r =  ，螺距d = 

這個(gè)結(jié)論的證明一般是將分解…（過程從略）。

☆但也有一個(gè)問題，如果將分解（成垂直速度分量B2和平行速度分量B1 ，如圖9-7所示），粒子的運(yùn)動(dòng)情形似乎就不一樣了——在垂直B2的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)？

其實(shí)，在圖9-7中，B1平行v只是一種暫時(shí)的現(xiàn)象，一旦受B2的洛侖茲力作用，v改變方向后就不再平行B1了。當(dāng)B1施加了洛侖茲力后，粒子的“圓周運(yùn)動(dòng)”就無法達(dá)成了。（而在分解v的處理中，這種局面是不會(huì)出現(xiàn)的。）

3、磁聚焦

a、結(jié)構(gòu)：見圖9-8，K和G分別為陰極和控制極，A為陽極加共軸限制膜片，螺線管提供勻強(qiáng)磁場(chǎng)。

b、原理：由于控制極和共軸膜片的存在，電子進(jìn)磁場(chǎng)的發(fā)散角極小，即速度和磁場(chǎng)的夾角θ極小，各粒子做螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)可以認(rèn)為螺距彼此相等（半徑可以不等），故所有粒子會(huì)“聚焦”在熒光屏上的P點(diǎn)。

4、回旋加速器

a、結(jié)構(gòu)&原理（注意加速時(shí)間應(yīng)忽略）

b、磁場(chǎng)與交變電場(chǎng)頻率的關(guān)系

因回旋周期T和交變電場(chǎng)周期T′必相等，故 =

c、最大速度 vmax = = 2πRf

5、質(zhì)譜儀

速度選擇器&粒子圓周運(yùn)動(dòng)，和高考要求相同。

第二講 典型例題解析

一、磁場(chǎng)與安培力的計(jì)算

【例題1】?jī)筛鶡o限長(zhǎng)的平行直導(dǎo)線a、b相距40cm，通過電流的大小都是3.0A，方向相反。試求位于兩根導(dǎo)線之間且在兩導(dǎo)線所在平面內(nèi)的、與a導(dǎo)線相距10cm的P點(diǎn)的磁感強(qiáng)度。

【解說】這是一個(gè)關(guān)于畢薩定律的簡(jiǎn)單應(yīng)用。解題過程從略。

【答案】大小為8.0×10?6T ，方向在圖9-9中垂直紙面向外。

【例題2】半徑為R ，通有電流I的圓形線圈，放在磁感強(qiáng)度大小為B 、方向垂直線圈平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，求由于安培力而引起的線圈內(nèi)張力。

【解說】本題有兩種解法。

方法一：隔離一小段弧，對(duì)應(yīng)圓心角θ ，則弧長(zhǎng)L = θR 。因?yàn)棣?u> →

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