湖南省邵阳市隆回县万和实验学校高中物理  3.5 运动电荷在磁场中受到的力

湖南省邵阳市隆回县万和实验学校高中物理  3.5 运动电荷在磁场中受到的力

‎ 3.5 运动电荷在磁场中受到的力 导学案 ‎ ‎【学习目标】‎ ‎1、知道什么是洛伦兹力。 2、利用左手定则会判断洛伦兹力的方向，理解洛伦兹力对电荷不做功。‎ ‎3、掌握洛伦兹力大小的推理过程和掌握洛伦兹力大小的计算。 4、了解电视机显像管的工作原理。‎ ‎【学习重点和难点】‎ ‎1、利用左手定则会判断洛伦兹力的方向和洛伦兹力大小计算公式的推导和应用。‎ ‎2、洛伦兹力对带电粒子不做功.‎ ‎【自主学习】‎ 一、洛伦兹力的方向和大小 ‎1．演示实验：‎ 阴极射线管发出的电子束，如上图甲中的径迹是 ‎ 把电子射线管放在蹄形磁铁的磁场中，如图乙中电子束的径迹 ，若调换磁铁南北极的位置，则电子束的径迹会 ‎2．洛伦兹力 ‎(1)定义： 在磁场中所受的力．‎ ‎(2)与安培力的关系：通电导线在磁场中所受的安培力是洛伦兹力的 ，而洛伦兹力是安培力的微观本质．‎ ‎3．洛伦兹力的方向 ‎(1)左手定则：‎ 伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内．让 从掌心进入，并使四指指向 ，这时拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受 的方向．‎ ‎(2)特点：洛伦兹力的方向与电荷运动方向和磁场方向都 ，洛伦兹力只改变带电粒子的运动方向，不改变速度大小，对电荷不做功．‎ ‎4．洛伦兹力的大小 ‎(1)当 时，F＝qvB.‎ ‎(2)当 时，F＝0.‎ 二、电视显像管的工作原理 ‎1．电视显像管应用了电子束 的原理．‎ ‎2．电子束打在荧光屏上的位置在偏转磁场的控制下一行一行的不断移动，这在电视技术中叫做 .‎ ‎【合作探究】‎ ‎1、怎样判断洛伦兹力的方向？‎ ‎【针对性练习】‎ 判断图中带电粒子所受洛伦兹力的方向 ‎2、洛伦兹力能对电荷做功吗？‎ ‎3、洛伦兹力的大小推导 假设：设有一段长度为L的通电导线，横截面积为S，导线每单位体积中含有的自由电荷数为n，每个自由电荷的电量为q，定向移动的平均速率为v，将这段导线垂直于磁场方向放入磁感应强度为B的磁场中。‎ 问题1：这段导线中电流I的微观表达式是多少？I=‎ 问题2：这段导体所受的安培力为多大？F=‎ 问题3：这段导体中含有多少自由电荷数？N=‎ 问题4：每个自由电荷所受的洛伦兹力大小为多少？f=‎ ‎4、若带电粒子不垂直射入磁场,电子受到的洛伦兹力又如何呢?‎ ‎5．电视机显像管中应用了哪些物理原理？‎ ‎【精讲点拨】‎ ‎1．对洛伦兹力的进一步理解 ‎(1)洛伦兹力的方向 ‎①决定洛伦兹力方向的因素有三个：电荷的电性(正、负)、速度方向、磁感应强度的方向．‎ ‎②在研究电荷的运动方向与磁场方向垂直的情况时，由左手定则可知，F洛⊥B，F洛⊥v即F洛垂直于B和v两者决定的平面．‎ ‎(1)公式F＝qvB中的v是带电粒子相对于磁场的运动速度．‎ ‎(2)判断负电荷在磁场中运动所受洛伦兹力的方向，四个手指要伸向负电荷运动的相反方向．‎ ‎(3)电荷运动的方向v和磁场的方向B不一定垂直，但洛伦兹力一定垂直于磁感应强度B和速度v的方向．‎ ‎(2)洛伦兹力与安培力的关系 ‎①洛伦兹力是单个运动电荷在磁场中受到的力，而安培力是导体中所有定向移动的自由电荷受到的洛伦兹力的宏观表现．‎ ‎②尽管安培力是自由电荷定向移动时受到的洛伦兹力的宏观表现，但也不能认为安培力就简单地等于所有定向移动电荷所受洛伦兹力的和，一般只有当导体静止时才能这样认为．‎ ‎③洛伦兹力恒不做功，但安培力却可以做功．‎ 可见安培力与洛伦兹力既有紧密相关、不可分割的必然联系，也有显著的区别．‎ ‎2．洛伦兹力与电场力的比较 洛伦兹力 电场力 性质 洛伦兹力是磁场对运动电荷的作用力 电场力是电场对电荷的作用力 产生 条件 磁场中静止电荷、沿磁场方向运动的电荷不受洛伦兹力 电场中的电荷无论静止、还是沿任何方向运动都要受到电场力 方向 ‎(1)方向由电荷的正负、磁场的方向以及电荷的运动方向决定，方向之间的关系遵循左手定则 ‎(2)洛伦兹力方向一定垂直于磁场方向以及电荷运动方向(电荷运动方向与磁场方向不一定垂直)‎ ‎(1)方向由电荷的正负、电场的方向决定 ‎(2)正电荷受力方向与电场方向一致，负电荷受力方向与电场方向相反 大小 F＝qvB(v⊥B)‎ F＝qE 作用 效果 洛伦兹力只改变电荷运动速度的方向，不能改变速度的大小 电场力既可以改变电荷运动的速度方向又可以改变电荷运动速度的大小 做功 情况 洛伦兹力一定不做功 电场力可以不做功，也可以做功 ‎3．洛伦兹力在现代科技中的应用 ‎（1）速度选择器 ‎①原理：带电粒子不偏转时qvB=qE，有v=E/B。‎ ‎②特点a．速度选择器只选择速度(大小、方向)而不选择粒子的质量和电荷量．如上图中若从右侧入射则不能穿出场区．‎ b．速度选择器B、E、v三个物理量的大小、方向互相约束，以保证粒子受到的电场力和洛伦兹力等大、反向．如图中只改变磁场B的方向，粒子将向下偏转．‎ ‎(2)磁流体发电机 目前世界上正在研究的一种新型发电机叫磁流体发电机，它可以把气体的内能直接转化为电能，如右图表示出了它的发电原理：将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量带正电和带负电的微粒．而从整体上来说是呈电中性)喷射入磁场，磁场中有两块金属板A、B，则高速射入的离子在洛伦兹力的作用下向A、B两板聚集，使两板间产生电势差，若平行金属板间距为d，匀强磁场的磁感应强度为B，等离子体流速为v，气体从一侧面垂直磁场射入板间，不计气体电阻，外电路电阻为R，则两板间最大电压和可能达到的最大电流为多少？‎ ‎【典例剖析】‎ 例1、以下说法中，正确的是(　　)‎ A．电荷处于磁场中一定受到洛伦兹力 B．运动电荷在磁场中一定受到洛伦兹力 C．洛伦兹力对运动电荷一定不做功 D．洛伦兹力可改变运动电荷的速度 ‎【跟踪发散】一初速度为零的质子(质量m＝1.67×10－‎27 kg，电荷量q＝1.6×10－‎19 C)，经过电压为1 880 V的电场加速后，垂直进入磁感应强度为5.0×10－4 T的匀强磁场中，质子所受洛伦兹力多大？‎ 例2、如图所示，摆球带负电的单摆，在一匀强磁场中摆动，匀强磁场的方向垂直纸面向里，摆球在A、B间摆动过程中，由A摆到最低点C时，摆线拉力大小为F1，摆球加速度大小为a1；由B摆到最低点C时，摆线拉力的大小为F2，摆球加速度大小为a2，则(　　)‎ A．F1＞F2，a1＝a2　B．F1＜F2，a1＝a‎2 C．F1＞F2，a1＞a2 D．F1＜F2，a1＜a2‎ ‎【跟踪发散】质量为‎0.1 g的小物块，带有5×10－‎4C的电荷量，放在倾角为30°的绝缘光滑斜面上，整个斜面置于0.5 T的匀强磁场中，磁场方向如图所示，物块由静止开始下滑，滑到某一位置时，物块开始离开斜面(设斜面足够长，g＝‎10 m/s2)问：(1)物块带电性质？(2)物块离开斜面时的速度为多少？(3)物块在斜面上滑行的最大距离是多少？‎ 例3、如右图所示，质量为m的带正电的小球能沿竖直的绝缘墙竖直下滑，磁感应强度为B的匀强磁场方向水平，并与小球运动方向垂直．若小球电荷量为q，球与墙间的动摩擦因数为μ，则小球下滑的最大速度为_______，最大加速度为_______．‎ ‎【跟踪发散】一个带正电的微粒(重力不计)穿过如右图所示的匀强磁场和匀强电场区域时，恰能沿直线运动，则欲使电荷向下偏转时应采用的办法是(　　)‎ A．增大电荷质量 B．增大电荷电荷量 C．减小入射速度 D．增大磁感应强度 ‎【巩固拓展训练】‎ ‎1．如图所示是磁感应强度B、正电荷速度v和磁场对电荷的作用力F三者方向的相互关系图(其中B垂直于F与v决定的平面，B、F、v两两垂直)．其中正确的是(　　)‎ ‎2．下列说法中正确的是(　　)‎ A．运动电荷在磁感应强度不为零的地方，一定受到洛伦兹力的作用 B．运动电荷在某处不受洛伦兹力作用，则该处的磁感应强度一定为零 C．洛伦兹力既不能改变带电粒子的动能，也不能改变带电粒子的速度 D．洛伦兹力对带电粒子不做功 ‎3．如上图所示，在真空中，水平导线中有恒定电流I通过，导线的正下方有一质子初速度方向与电流方向相同，则质子可能的运动情况是(　　)‎ A．沿路径a运动　 B．沿路径b运动 C．沿路径c运动 D．沿路径d运动 ‎4．如图所示是电视机显像管及其偏转线圈的示意图．电流方向如图所示，试判断正对读者而来的电子束将向哪边偏转(　)‎ A．向上 B．向下 C．向左 D．向右 ‎5．如右图为一“滤速器”装置的示意图．a、b为水平放置的平行金属板，一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔O进入a、b两板之间．为了选取具有某种特定速率的电子，可在a、b间加上电压，并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场，使所选电子仍能够沿水平直线OO′运动，由O′射出．不计重力作用．可能达到上述目的的办法是(　　)‎ A．使a板电势高于b板，磁场方向垂直纸面向里 B．使a板电势低于b板，磁场方向垂直纸面向里 C．使a板电势高于b板，磁场方向垂直纸面向外 D．使a板电势低于b板，磁场方向垂直纸面向外 ‎6．带电油滴以水平速度v0垂直进入磁场，恰做匀速直线运动，如右图所示，若油滴质量为m，磁感应强度为B，则下述说法正确的是(　　)‎ A．油滴必带正电荷，电荷量为2mg/v0B B．油滴必带负电荷，比荷q/m＝g/v0B C．油滴必带正电荷，电荷量为mg/v0B D．油滴带什么电荷都可以，只要满足q＝mg/v0B ‎7.如右图所示，表面粗糙的斜面固定于地面上，并处于方向垂直纸面向外、强度为B的匀强磁场中．质量为m、带电荷量为＋Q的小滑块从斜面顶端由静止下滑．在滑块下滑的过程中，下列判断正确的是(　　)‎ A．滑块受到的摩擦力不变 B．滑块到达地面时的动能与B的大小无关 C．滑块受到的洛伦兹力方向垂直斜面向下D．B很大时，滑块可能静止于斜面上 ‎8．如右图所示为一速度选择器，也称为滤速器的原理图．K为电子枪，由枪中沿KA方向射出的电子，速度大小不一．当电子通过方向互相垂直的均匀电场和磁场后，只有一定速率的电子能沿直线前进，并通过小孔S.设产生匀强电场的平行板间的电压为300 V，间距为‎5 cm，垂直纸面的匀强磁场的磁感应强度为0.06 T，问：(1)磁场的方向应该垂直纸面向里还是垂直纸面向外？(2)速度为多大的电子才能通过小孔S?‎ ‎9．在相互垂直的匀强电场和匀强磁场中，有一倾角为θ、足够长的光滑绝缘斜面，磁感应强度为B，方向垂直纸面向外，电场方向竖直向上．有一质量为m、带电荷量为＋q的小球静止在斜面顶端，这时小球对斜面的正压力恰好为零，如下图所示，若迅速把电场方向反转为竖直向下，小球能在斜面上连续滑行多远？所用时间是多少？‎ ‎10．如图所示，质量为m＝‎1 kg，电荷量为q＝5×10－‎2 C的带正电的小滑块，从半径为R＝‎0.4 m的光滑绝缘圆孤轨道上由静止自A端滑下．整个装置处在方向互相垂直的匀强电场与匀强磁场中．已知E＝100 V/m，水平向右；B＝1 T，方向垂直纸面向里．求：(1)滑块到达C点时的速度；(2)在C点时滑块对轨道的压力．(g＝‎10 m/s2)‎