普通高中教科书·物理选择性必修 第二册.pdf

物理选 择 性 必 修第二册普通高中教科书上海科学技术出版社WULI第二册上海科学技术出版社物理选择性必修普通高中教科书物理第二册选 择 性 必 修定价：10.10 元1 物理普通高中教科书必性择选修第二册上海科学技术出版社2普通高中教科书物理选择性必修第二册上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出 版 上海世纪出版（集团）有限公司上海科学技术出版社（上海市钦州南路 71 号邮政编码 200235）发 行上海新华书店印 刷当纳利（上海）信息技术有限公司版 次2021 年 3 月第 1 版印 次2021 年 3 月第 1 次开 本890 毫米 1240 毫米1/16印 张8字 数177 千字书 号ISBN 9787547852958/G1033定 价10.10 元版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现印装质量问题或对内容有意见建议，请与本社联系。电话：02164848025，邮箱：全国物价举报电话：12315 声明按照中华人民共和国著作权法第二十三条有关规定，我们已尽量寻找原作者支付报酬。原作者如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。主编：蒋最敏 高 景本册主编：严 明编写人员：（以姓氏笔画为序）王肇铭 严 明 李沐东 陈琪琪 赖佳颖责任编辑：施 成 金波艳 李林高美术设计：房惠平1 目录1目录第五章磁场 1第一节 安培力 2第二节 洛伦兹力 10第三节 带电粒子在匀强磁场中的圆周运动 15第六章电磁感应定律 26第一节楞次定律 27第二节法拉第电磁感应定律 34第七章电磁感应定律的应用 49第一节自感现象和涡流现象 50第二节交变电流 55第三节变压器 62第四节发电机和电动机 702 2目录第八章电磁振荡与电磁波 77第一节麦克斯韦电磁场理论 78第二节电磁波的产生与发射 83第三节电磁波的传播和接收 87第四节电磁波的应用 94第九章传感器 103第一节 传感器及其敏感元件 104第二节 常见传感器的工作原理 108第三节 传感器的应用 1141 磁场是广泛存在的，地球、行星、恒星、星际空间和星系际空间都存在着磁场。甚至在人体内，伴随着生命活动，一些组织和器官也存在微弱的磁场。磁现象与日常生活密切相关，如磁浮列车、磁条银行卡、发电机、电动机、扬声器都离不开磁现象。在现代科学技术中磁的应用也比比皆是，如电磁炮、质谱仪、回旋加速器、热核聚变装置、磁传感器无不与磁现象有关。必修课程中我们已经学习了磁场、磁感应强度以及磁通量等概念。在本章中将认识安培力和洛伦兹力；通过实验探究安培力；用洛伦兹力分析带电粒子在磁场中的运动；了解安培力和洛伦兹力的应用。本章的学习有助于提升电磁场的物质观念及运动与相互作用观念。本章的内容也是学习电磁感应及其应用的基础。第五章磁 场2第五章 磁场第一节安培力上海科技馆的智慧之光展区有一个叫做“电磁炮”的体验展品，如图 51 所示。“炮弹”是一个金属球。当你按下按钮，“炮弹”就会从炮筒中射出，根据“炮弹”击中“目标靶”的情况在屏幕上显示你的得分。在学习必修课程时我们已经知道通电导体在磁场中会受外力的作用，“电磁炮”就是利用磁场对通电导体的作用力，从而沿导轨加速发射抛射体。磁场对通电导体的作用在蹄形磁体的两极之间放置一对平行导轨；导轨两端接在电源上，在两导轨之间垂直于导轨放置一段电阻较小的导体棒。闭合开关，使导体棒通电，观察导体棒的运动情况（图 52）。自 主 活 动图 52 磁场中通电导体棒的运动情况我们会看到通有电流的导体棒立即沿着导轨加速运动起来，这说明通电导体在磁场中受到力的作用，安培首先通过实验总结出这个力的特点。人们把通电导体在磁场中受到的力称为安培力(Amperes force)。下面我们来仔细探究安培力的方向和 大小。安培力的方向安培力的方向、磁场方向和电流方向三者之间有什么样的关系呢？图 51“电磁炮”体验展品3第一节 安培力实验表明，安培力的方向既与磁场方向垂直，又与电流方向垂直。或者说，安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导体所在的平面。上述活动的实验结果与理论是一致的。磁场方向、电流方向和安培力方向这三者之间的关系可以用左手定则(left-hand rule)来判定。如图 53 所示，伸开左手，让大拇指跟其余四指垂直，并且都与手掌在同一平面里；把左手放入磁场中，让磁感线穿过掌心，使四指指向电流方向，这时大拇指所指的就是安培力的方向。如果调整图 52 实验装置中蹄形磁体的方位，使其磁场方向与通电导体棒方向平行，我们可以观察到导体棒在磁场中不受安培力作用的情形。安培力的大小安培力的大小与什么因素有关呢？图 53 左手定则继续使用如图 52 所示的实验装置，自行设计探究方案。观察导体棒的运动情况来确定安培力方向，填写数据记录表（表 51）。表中的方向用“向上”“向下”“向左”“向右”“垂直纸面向里”或“垂直纸面向外”来记录。表 51 数据记录表实验序号磁场方向_ 方向_ 方向1234从上述实验现象分析归纳出安培力的方向、磁场方向和电流方向三者间的关系是：自 主 活 动4第五章 磁场如图 54 所示，将线圈放入磁场中，使磁场和线圈相互垂直；线圈上端是测量安培力大小的力传感器，力传感器与线圈连接。由于在磁场中竖直两侧导线的安培力相互抵消，测量到的安培力是磁场中水平导线受到的安培力。利用电流传感器来测量线圈中电流的大小。把学生电源、滑动变阻器、电流传感器、开关和线圈连接成闭合电路。闭合开关，调节滑动变阻器阻值改变电路中的电流，得到电流与对应安培力的关系图线，如图 55 所示，发现安培力大小与电流成正比。改变通电导线在磁场中的长度（实验时通过改变线圈的匝数来实现），得到安培力大小与导线匝数关系的图线，如图 56 所示，发现安培力大小与导线长度成 正比。自 主 活 动图 54 探究安培力的大小图 55安培力与电流的关系图 56安培力与导线长度（线圈匝数）的关系科学家发现：在匀强磁场中，当通电导线与磁场方向垂直时，安培力 F 最大，其大小跟磁感应强度 B、电流 I 和垂直于磁场方向的直导线的长度 L 都成正比。即F=BIL当导线的方向与磁感应强度 B 的方向平行时，导线受力为零。示例 1如图 57 所示是电流天平原理示意图，使用电流天平可测量通电导线在磁场中所受安培力。长方形线圈 abcd 共绕 15 匝，底边 bc 长 5 cm，挂在等臂天平的左端，并5第一节 安培力使线圈的 bc 边水平地悬于某一匀强磁场中，线圈平面跟磁场垂直。先使天平保持平衡，然后在线圈内通入 0.5 A 的电流，天平失去平衡。设此时右盘上升，为使天平重新达到平衡，需在右端盘内再加入 37.5 g 砝码。求：（1）线圈中电流的方向；（2）匀强磁场的磁感应强度大小。分析：n 匝线圈通过电流 I 受到的安培力可以等效为单匝线圈通过 nI 大小的电流受到的安培力。解：（1）线圈通电流后，ab 边和 cd 边在磁场部分所受的安培力沿水平方向等值反向而彼此平衡；bc 边所受安培力方向应竖直向下，才会导致右盘上升而使天平失去平衡，由左手定则可判断线圈中的电流方向是 a b c d。（2）由于天平两臂等长，为使天平重新平衡，bc 边 n 匝导线所受的安培力应该等于天平右端增加的砝码的重力。设 bc 边长为 L，通过线圈的电流为 I，匀强磁场的磁感应强度为 B，天平右端增加的砝码质量为 m，则有nBIL=mg由此可得匀强磁场的磁感应强度示例 2如图 58 所示，相距 L=10 cm 的两条平行导轨组成的平面与水平面夹角=30，导轨两端 M、N 间接一电动势 E=3 V、内阻 =0.5 的电源，垂直于导轨平面有一匀强磁场，将质量 m=10 g 的金属棒垂直放在平行导轨上，金属棒恰能静止不动。若两导轨间金属棒的电阻 R=1，试回答：（1）垂直于导轨平面的磁场方向是向上还是向下？（2）磁场的磁感应强度大小是多少？（导轨与金属棒接触良好，导轨与金属棒间摩擦力以及导轨电阻不计）分析：以平行导轨上的金属棒为研究对象进行受力分析。由闭合电路欧姆定律求电流，由力的平衡条件求安培力，由安培力公式求磁感应强度。解：（1）以金属棒为研究对象，金属棒在导轨上处于平衡状态，受到重力mg、弹力FN和安培力F的作用。因磁场垂直于导轨平面，电流垂直于导轨，安培力F的方向平行于导轨。再由力的平衡条件可知，安培力应平行于导轨向上，图 57 电流天平原理示意图图 58 磁场中静置于导轨上的导体棒图 59 导体棒的受力图6第五章 磁场如图59所示。而电流方向已知，由左手定则可判断磁感应强度的方向应垂直于导轨平面向下。（2）由于金属棒处于静止状态，则根据力的平衡条件，金属棒所受重力在斜面方向上的分力与安培力大小相等、方向相反，设通过金属棒的电流为 I，则有mgsin=BIL在电源、导轨、金属棒构成的回路中，由闭合电路欧姆定律，代入得磁感应强度安培力的应用安培力在生产、生活等各方面都有广泛应用，通过如下几个实例可见一斑。1.磁电式电表磁电式电表是指针式电表。无论是指针式电压表还是电流表或多用电表，原理都是利用磁场对通电小线圈的安培力使线圈偏转带动指针指示示数，从而达到测量的目的，所以这类电表叫做磁电式电表。这种电表的基本结构如图 510 所示。在一个磁场很强的蹄形磁体的两极间有一个固定的圆柱形铁芯，铁芯外面套有一个可以绕轴转动的铝框，铝框上绕有线圈，铝框的转轴上装有两个螺旋弹簧和一个指针。线圈的两端分别接在这两个螺旋弹簧上，被测电流经过弹簧流入线圈。如图 511 所示，蹄形磁体两极和铁芯间的磁场是均匀地沿半径方向分布的。不管通电线圈转到什么角度，线圈平面都跟磁感线平行。当电流通过线圈的时候，线圈上跟铁芯轴线平行的两边都受到安培力，由左手定则可以判定，这两个力方向相反，使线圈发生转动。线圈转动时，螺旋弹簧变形，阻碍线圈的转动，阻力大小随线圈转动角度的增大而增大，从而使指针稳定在相应的偏转角度。图 510 磁电式电表的基本结构图图 511 通电线圈在安培力作用下发生转动7第一节 安培力磁场对电流的作用力跟电流成正比，因而线圈中的电流越大，安培力也越大，线圈和指针偏转的角度也就越大。根据指针偏转角度的大小，可以知道被测电流的大小。当线圈中的电流方向改变时，安培力的方向也随着改变，指针的偏转方向也随着改变。磁电式电表的优点是灵敏度高，可以测出很微弱的电流；缺点是由于线圈的导线很细，允许通过的电流很小（几十微安到几毫安）。通过电流较大时，通常需用串联电路限流或并联电路分流。2.动圈式扬声器扬声器是一种将电信号转换成声音的器件，可以由一个或多个组成音响组。动圈式扬声器的结构如图 512（b）所示，线圈（音圈）安放在磁体磁极间的空隙中能够自由运动，按音频变化的电流通过线圈，线圈在磁场中受到安培力作用使线圈运动，运动的方向和大小根据输入信号的大小和方向而变化。纸盆与线圈连接，线圈带动纸盆振动，从而产生 声音。3.电磁炮传统的化学能火炮在发射过程中，后部的火药被点燃，造成气体体积迅速膨胀，推动弹体在炮膛里加速前进。传统的化学能火炮的射程受到出膛速度的限制。电磁炮是利用电磁系统中磁场产生的安培力来对抛射体（金属炮弹）加速，使其获得打击目标所需的动能。与传统的化学能火炮相比，电磁发射可大大提高炮弹的出膛速度和射程。电磁炮的基本原理如图 513 所示，抛射体与导轨有良好的电接触，并与电源连接，构成回路。通过给导轨回路通以很大的电流，可使抛射体在导轨电流产生的磁场的安培力作用下沿导轨加速运动，最终以很高的速度将抛射体发射出去。图 512 动圈式扬声器及原理简图(a)(b)图 513电磁炮原理图8第五章 磁场问题思考与1.图 514 中各图已经分别标明电流 I、磁场 B 和安培力 F 这三个物理量中的两个量的方向，试在图中标出第三个量的方向。3.有两根通电平行直导线，分别通入如图 516 所示的同方向电流和反方向电流。两根平行直导线之间是否存在相互作用力？如存在，作用力的方向如何？用虚线在图中大致描绘出通电后两根导线的实际形状。4.如图 517 所示，导线 a