3.麥克斯韋的電磁場理論告訴我們:變化的磁場產(chǎn)生感生電場,該感生電場是渦旋電場;變化的電場也可以產(chǎn)生感生磁場,該感生磁場是渦旋磁場。
(1)如圖甲所示,在半徑為r的虛線邊界內(nèi)有一垂直于紙面向里的勻強磁場,磁感應(yīng)強度大小隨時間的變化關(guān)系為B=kt(k>0且為常量)。將一半徑也為r的細(xì)金屬圓環(huán)(圖中未畫出)與虛線邊界同心放置。
①求金屬圓環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的感生電動勢?的大小。
②變化的磁場產(chǎn)生的渦旋電場存在于磁場內(nèi)外的廣闊空間中,在與磁場垂直的平面內(nèi)其電場線是一系列同心圓,如圖乙中的實線所示,圓心與磁場區(qū)域的中心重合。在同一圓周上,渦旋電場的電場強度大小處處相等。使得金屬圓環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感生電動勢的非靜電力是渦旋電場對自由電荷的作用力,這個力稱為渦旋電場力,其與電場強度的關(guān)系和靜電力與電場強度的關(guān)系相同。請推導(dǎo)金屬圓環(huán)位置的渦旋電場的場強大小E
感。
(2)如圖丙所示,在半徑為r的虛線邊界內(nèi)有一垂直于紙面向里的勻強電場,電場強度大小隨時間的變化關(guān)系為E=ρt(ρ>0且為常量)。
①我們把穿過某個面的磁感線條數(shù)稱為穿過此面的磁通量,同樣地,我們可以把穿過某個面的電場線條數(shù)稱為穿過此面的電通量。電場強度發(fā)生變化時,對應(yīng)面積內(nèi)的電通量也會發(fā)生變化,該變化的電場必然會產(chǎn)生磁場。小明同學(xué)猜想求解該磁場的磁感應(yīng)強度B
感的方法可以類比(1)中求解E
感的方法。若小明同學(xué)的猜想成立,請推導(dǎo)B
感在距離電場中心為a(a<r)處的表達(dá)式,并求出在距離電場中心
和2r處的磁感應(yīng)強度的比值B
感1:B
感2。
②小紅同學(xué)對上問通過類比得到的B
感的表達(dá)式提出質(zhì)疑,請你用學(xué)過的知識判斷B
感的表達(dá)式是否正確,并給出合理的理由。