选择性必修二 第一章 安培力与洛伦兹力 参考资料

1．安培

安培是法国物理学家、数学家．1775 年 1 月 22 日生于里昂一个商人家庭。父亲为他安排了按照自己的意愿来学习的环境。他自幼聪明好学，具有惊人的记忆力，尤其是在数学方面有非凡的天赋。12 岁学习了微积分，13 岁发表关于螺旋线的论文。18 岁时，除了拉丁语外，还通晓意大利语和希腊语。他不仅钻研数学，还研究物理学和化学。在化学方面，他最先预见了氯、氟、碘三种物质是元素，还独立地发现了“阿伏加德罗定律”。

安培最重要的贡献是在电磁学方面。1820 年 7 月奥斯特发现了电流的磁效应。法国科学家阿拉果 8 月在瑞士听到这一消息后，9 月初回到法国立即向法国科学院报告了这一最新发现。善于接受新的研究成果的安培，怀着极大的兴趣，第二天就重做了奥斯特的实验，并于 9 月 18 日向法国科学院提交了第一篇论文，报告他的实验成果，接着又在 9 月 25 日、10 月 9 日提交了第二篇和第三篇论文。在这三篇论文中，包括了电流方向和磁针偏转方向关系的右手定则；同向直线电流间互相吸引，异向直线电流间互相排斥；通电螺线管的磁性与磁针等效，等等。安培又用了几个月的时间进一步研究电流之间的相互作用，把精巧的实验和他高超的数学技巧结合超来，通过四个巧妙设计的实验，得出了重要的结论：导线中的电流反向时，它们产生的作用也反向；电流元具有矢量性，作用在电流元上的力跟电流元垂直；电流元的长度和相互间的距离增加相同的倍数时，作用力不改变。安培根据这四个实验，导出了两个电流元之间相互作用的公式，即两个电流元之间的作用力跟它们之间距离的二次方成反比，这就是著名的安培定律。

安培还进一步探索了磁的本质，提出了分子电流假说，为正确认识物质磁性指出了方向。安培把磁和电联系起来，从本质上认识了磁和电的统一。安培精湛的实验技巧和探索根源的精神受到后人的称颂，因在电磁学方面的重要贡献他被麦克斯韦誉为“电学中的牛顿”。

2．洛伦兹

洛伦兹是荷兰物理学家、数学家，1853 年 7 月 18 日生于阿纳姆，1870 年在莱顿大学学习数学、物理学，1875 年获博士学位，25 岁起任莱顿大学理论物理学教授达 35 年。

洛伦兹是经典电子论的创立者。他认为电具有“原子性”，电的本身是由微小的实体组成的。后来这些微小实体被称为电子。洛伦兹以电子概念为基础来解释物质的电性质，从电子推导出运动电荷在磁场中要受到力的作用，即洛伦兹力。他解释物体的发光是由原子内部电子振动产生的。这样当光源放在磁场中时，光源的原子内电子的振动将发生改变，使电子的振动频率增大或减小，导致光谱线的增宽或分裂。1896 年 10 月，洛伦兹的学生塞曼发现，在强磁场中钠光谱的 D 线有明显的增宽，即产生塞曼效应，证实了洛伦兹的预言，塞曼和洛伦兹共同获得 1902 年诺贝尔物理学奖。

1904 年，洛伦兹证明，当把麦克斯韦的电磁场方程组用伽利略变换从一个参考系变换到另一个参考系时，真空中的光速将不是一个不变的量，从而导致对不同惯性系的观察者来说，麦克斯韦方程及各种电磁效应可能是不同的。为了解决这个问题，洛伦兹提出了另一种变换公式，即洛伦兹变换。用洛伦兹变换，将使麦克斯韦方程从一个惯性系变换到另一个惯性系时保持不变。洛伦兹变换公式成为狭义相对论中非常重要的坐标变换公式。

爱因斯坦称洛伦兹为“我们时代最伟大、最高尚的人”。为了纪念洛伦兹的卓著功勋，荷兰政府决定从 1945 年起，把他的生日定为“洛伦兹节”。

3．电磁炮和电磁弹射器原理

电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进武器，与传统的火药推动的大炮相比，电磁炮可以大大提高弹丸的速度和射程。电磁弹射器和电磁炮的原理是一样的，把电磁炮的体积和驱动电流大大加强，就可以用抛射体牵引飞机从航空母舰上起飞，这就是航空母舰上帮助舰载机起飞的电磁弹射器，它比上一代的蒸汽弹射器更为优越。下面仅介绍电磁炮的一种常见类型——轨道式电磁炮。

轨道式电磁炮由两条发射轨道和一个导电的抛射物组成，强大的电流由一条轨道流入，经抛射物后再由另一根轨道流回，如图 1–6 所示。图 1–7 是轨道式电磁炮的模型化原理图。根据直线电流的安培定则，图 1–7 中下方轨道的电流在抛射物处产生的磁场垂直于纸面向外，上方轨道的电流在抛射物处产生的磁场同样垂直纸面向外，如图中符号 ⊙ 所示，可见抛射物中部磁场被成倍地加强。当电流流经抛射物时，抛射物因载有电流而受到向右的安培力 F，从而使抛射物沿轨道向右抛射出去。显然，电流 I 越大，磁感应强度 B 越大，抛射物所受安培力 F 越大，抛射物的抛射初速率也就越大。

电磁炮的优点：1．发射抛射物的初速度大，所以电磁炮的射程远、命中率高，是打击坦克、飞机等活动目标的理想武器；2．相对传统方式，电磁炮的发射成本低，并易于连续发射；3．由于电磁炮发射时不使用火药，因此没有巨大的声响，而且使用安全；4．可以发射质量较大的物体。

4．磁电式电流表的刻度为什么是均匀的

电流表中圆柱形软铁芯的作用是加强它与极靴间空隙处的磁感应强度，并使此处磁感应强度均匀地沿径向分布。这样一来，无论线圈转到什么位置，磁力矩的大小都相等，并可表示为 M₁ = NBIS（N 为线圈匝数，S 为线圈面积，I 为通入的待测电流，B 为磁感应强度）。

当线圈转动时，螺旋弹簧（游丝）发生形变，因而产生反抗力矩M₂，阻止线圈继续转动。线圈转角 θ 越大，游丝形变越大，反抗力矩 M₂ 也越大。实验证明，M₂ 与 θ 成正比，即 M₂ = αθ，式中 α 叫作游丝的扭转常数。可见，对于一定的待测电流 I 来说，线圈所受的磁力矩 M₁ 也是一定的，而游丝的反抗力矩 M₂ 却随着线圈转角的增大而增大。所以，线圈必定在某一转角 θ 处稳定下来。这时两个力矩达到平衡，故有 NBIS = αθ，或者改写为 I = \(\frac{\alpha }{{NSB}}\)θ = Kθ。式中 K = \(\frac{\alpha }{{NSB}}\)，为一常量，在数值上等于线圈转过单位转角时所必须通入的电流，它可由实验测出。这样，就可以由转角 θ（指针所指示的位置）得到通入线圈的电流 I。由于 K 是常量，也说明了刻度盘上刻度是均匀的。

5．直流电动机的原理

直流电动机是一种将电能转化为机械能的旋转机械。直流电动机是根据通电线圈在磁场中受到力矩的原理制成的，主要由定子和转子等部分构成。

图 1–8 所示是一个最简单的单匝线圈的电动机模型，其中磁场是由一对磁极提供的。当线圈转到其法线方向 n 与磁感应强度方向一致时就不再受到力矩，这时如要使它在偏过这个位置后继续受到方向相同的力矩，即能够沿原方向继续转动，就要将其中电流的方向反过来。为此，在线圈的两端接有换向器。换向器是一对相互绝缘的半圆形截片，它扪通过固定的电刷与直流电源相接。有了换向器之后，通电线圈便可以连续不停地朝一个方向旋转。可以看到，当线圈处在图 1–8 甲所示的位置时，电流是沿 ABCD 方向通过的，这时磁场给它的力矩使它沿图中箭头所示的方向旋转。当线圈转到图 1–8 乙所示的位置时，换向器两截片的间隙也正好转到电刷的位置，因而此时线圈中无电流，力矩为 0，这个位置叫作电机的死点。但是由于惯性，线圈将冲过死点继续旋转。经过死点后，如图 1–8 丙所示，线圈中电流反向，沿 DCBA 方向流动，这时它所受的力矩将使它沿原方向继续旋转。由于换向器的作用使线圈中的电流每转半圈改变一次方向，就可以使线圈不停地朝着一个方向旋转起来。

单匝线圈的直流电动机力矩太小，不能承担什么负荷，而且转动过程中线圈受的力矩时大时小，转速也很不稳定，实用价值不大。常用的实际直流电动机中转动的部分（转子）是嵌在铁芯槽里的多匝线圈组成的鼓形电枢，它们的换向器截片的数目也相应地较多。

直流电动机的优点是通过改变电源电压很容易调节它的转速，因此，很多调速的设备采用了直流电动机，例如无轨电车、电梯、电动汽车等。

发布时间：2025/9/4 下午7:35:18  阅读次数：85