2019-2020学年高中物理第3章磁场第5节运动电荷在磁场中受到的力课件 人教版选修3-1

2019-2020学年高中物理第3章磁场第5节运动电荷在磁场中受到的力课件 人教版选修3-1

第 5 节　运动电荷在磁场中受到的力 1 ．阴极射线：从 ___________ 射线管的 ___________ 射出的电子束． 2 ．实验现象：无磁场时电子束是 _____________. 有磁场时 _____________. 3 ．实验结论：说明磁场对运动的电子有 _______ 的作用． 课前教材预案 要点一　阴极射线在磁场中的偏转 阴极 阴极 一条直线 发生弯曲 磁场力 1 ．洛伦兹力的定义： _____________ 在磁场中受到的力． 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 _____________. 要点二　洛伦兹力的方向和大小 运动电荷 宏观表现 3 ．洛伦兹力的方向 —— 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，负电荷受力的方向与正电荷受力的方向 ___________. 磁感线 正电荷运动的方向 洛伦兹力 相反 4 ．洛伦兹力的大小：当速度方向和磁感应强度方向分别满足以下几种情况时，安培力的大小分别是 (1) 当 v 与 B 成 θ 角时： F ＝ _______________.( 如图甲所示 ) (2) 当 v ⊥ B 时： F ＝ ____________.( 如图乙所示 ) (3) 当 v ∥ B 时： F ＝ __________.( 如图丙所示 ) q v B sin θ 　 q v B 　 0 　 1 ． 构造 如图所示，由电子枪、 _____________ 和荧光屏组成． 要点三　电视显像管的工作原理 偏转线圈　 2 ． 原理 (1) 电子枪 ______________. (2) 电子束在磁场中 ________________. (3) 荧光屏被电子束撞击发光． 产生电子束 受到磁场力偏转 3 ． 扫描 在偏转区的水平方向和竖直方向都有偏转磁场，其方向、强弱都在 _____________ ，使得电子束打在荧光屏上的光点从上向下、从左向右不断移动． 4 ． 偏转线圈 使电子束偏转的磁场是由 _____________ 产生的． 不断变化 偏转线圈 1 ． 遵守法则 同安培力一样，洛伦兹力的方向遵守左手定则． 课堂深度拓展 考点一　洛伦兹力的方向 2 ． F 、 B 、 v 三者方向间的关系 洛伦兹力的方向总是与电荷运动方向和磁场方向垂直，即洛伦兹力的方向总是垂直于电荷运动方向和磁场方向所决定的平面， F 、 B 、 v 三者的方向关系： F ⊥ B ， F ⊥ v ，但 B 与 v 不一定垂直，如图甲、乙所示． 洛伦兹力方向判断的易错点 (1) 注意电荷的正负，尤其是判断负电荷所受洛伦兹力方向时，四指应指向电荷运动的反方向． (2) 注意洛伦兹力方向一定垂直于 B 和 v 所决定的平面． (3) 当 v 与 B 的方向平行时，电荷受到的洛伦兹力为零． 【例题 1 】 如图所示，在阴极射线管正上方平行放置一根通有足够强直流电流的长直导线．且导线中电流方向水平向右，则阴极射线将会 ( 　　 ) A ．向上偏转 B ．向下偏转 C ．向纸里偏转 D ．向纸外偏转 思维导引： 先用安培定则判断直线电流的磁场方向，再用左手定则判断阴极射线受到洛伦兹力的方向，从而确定射线偏转方向． 答案 B 解析 由题意可知，直流电流的方向由左向右，根据安培定则，可判定直导线下方的磁场方向为垂直纸面向里，而阴极射线电子运动方向由左向右，由左手定则知 ( 电子带负电，四指要指向运动方向的反方向 ) ，阴极射线向下偏转，故选项 B 正确． 【变式 1 】 试判断下列带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的方向，其中垂直于纸面指向纸里的是 ( 　　 ) D 　 解析 根据左手定则可以判断，选项 A 中的负电荷所受的洛伦兹力方向向下；选项 B 中的负电荷所受的洛伦兹力方向向上；选项 C 中的正电荷所受的洛伦兹力方向垂直于纸面指向纸外；选项 D 中的正电荷所受的洛伦兹力方向垂直于纸面指向纸里． 考点二　洛伦兹力的大小 2 ．推广 若运动电荷速度 v 的方向与磁感应强度 B 的方向成 θ 角时，可将 v 分解为与 B 平行的分量 v 2 和与 B 垂直的分量 v 1 ，其中速率 v 2 方向不受洛伦兹力，如图所示，运动电荷所受洛伦兹力由分速度 v 1 决定， F ＝ q v 1 B ＝ q ( v sin θ ) B ＝ qB v sin θ . 3 ． 对公式的理解 (1) 适用条件：运动电荷的速度方向与磁场方向垂直，当 v ＝ 0 时， F 洛 ＝ 0. 即相对磁场静止的电荷不受洛伦兹力作用． (2) B 、 v 夹角对洛伦兹力的影响 ① 当 θ ＝ 90° 时， v ⊥ B, sin θ ＝ 1, F 洛 ＝ q v B ，即运动方向与磁场垂直时，洛伦兹力最大． ② 当 v ∥ B 时， θ ＝ 0° ， sin θ ＝ 0 ， F 洛 ＝ 0 ，即运动方向与磁场平行时，不受洛伦兹力． ③ 若不垂直， F 洛 ＝ q v B sin θ . 【例题 2 】 质量为 m ，带电荷量为 q 的微粒，以速度 v 与水平方向成 45° 角进入匀强电场和匀强磁场同时存在的空间，如图所示，微粒在电场、磁场、重力场的共同作用下做匀速直线运动，重力加速度为 g ，求： 思维导引： 正确分析带电微粒的受力情况，由平衡条件列方程求解． (1) 电场强度的大小，该带电微粒带何种电荷； (2) 磁感应强度的大小． 【变式 2 】 如图所示，匀强磁场的磁感应强度为 B ，方向垂直纸面向外，质量为 m 、带电荷量为 q 的小球在倾角为 α 的光滑斜面上由静止开始下滑．若带电小球下滑后某个时刻对斜面的压力恰好为零，问： (1) 小球的带电性质如何？ (2) 此时小球下滑的速度和位移分别为多大？ 考点三　洛伦兹力与现代科技 需要注意的是，负电荷以速度 v 也可匀速通过这个选择器，但是，若粒子从右边进入，就不能匀速沿虚线通过了． 【例题 3 】 如图所示，某一新型发电装置的发电管是横截面为矩形的水平管道，管道的长为 L 、宽为 d 、高为 h ，上、下两面是绝缘板，前、后两侧面 M 、 N 是电阻可忽略的导体板，两导体板与开关 S 和定值电阻 R 相连．整个管道置于磁感应强度大小为 B ，方向沿 z 轴正方向的匀强磁场中．管道内始终充满电阻率为 ρ 的导电液体 ( 有大量的正、负离子 ) ，且开关闭合前后，液体在管道进、出口两端压强差的作用下，均以恒定速率 v 0 沿 x 轴正向流动，液体所受的摩擦阻力不变． 思维导引： 开关闭合前的两板间的电压就是发电装置 ( 电源 ) 的电动势；开关闭合后， M 、 N 两极相当于电源的两极，对电阻 R 供电，电流在两板内流动时，液体的电阻相当于电源的内阻，内阻的计算遵循电阻定律，但内阻对应的截面积是 M 板的面积． 【变式 3 】 ( 多选 ) 如图所示为速度选择器装置，场强为 E 的匀强电场与磁感应强度为 B 的匀强磁场互相垂直．一带电量为＋ q ，质量为 m 的粒子 ( 不计重力 ) 以速度 v 水平向右射入，粒子恰好沿直线穿过，则下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．若带电粒子带电量为＋ 2 q ，粒子将向下偏转 B ．若带电粒子带电量为－ 2 q ，粒子仍能沿直线穿过 C ．若带电粒子速度为 2 v ，粒子不与极板相碰，则从右侧射出时电势能一定增加 D ．若带电粒子从右侧水平射入，粒子仍能沿直线穿过 答案 BC 若带电粒子速度为 2 v ，电场力不变，洛伦兹力变为 2 倍，故会偏转，克服电场力做功，电势能增加，选项 C 正确；若带电粒子从右侧水平射入，电场力方向不变，洛伦兹力方向反向，故粒子一定偏转，选项 D 错误． 1 ．如图所示，在阴极射线管正上方平行放一通有强电流的长直导线，则阴极射线 ( 电子束 ) 将 ( 　　 ) A ．向纸内偏转　　 B ．向纸外偏转 C ．向上偏转　　 D ．向下偏转 课末随堂演练 C 　 解析 电流的周围存在磁场，根据右手定则判断出阴极射线管处的磁场方向垂直纸面向外，阴极射线 ( 电子流 ) 从负极流向正极，根据左手定则，电子所受洛伦兹力方向向上，所以阴极射线向上偏转，选项 C 正确． A ．带正电粒子必须沿 ab 方向从左侧进入场区，才能沿直线通过 B ．带负电粒子必须沿 ba 方向从右侧进入场区，才能沿直线通过 C ．不论粒子电性如何，沿 ab 方向从左侧进入场区，都能沿直线通过 D ．不论粒子电性如何，沿 ba 方向从右侧进入场区，都能沿直线通过 答案 AC 解析 带正电粒子沿 ab 从左侧进入场区，所受电场力大小为 qE ，方向向下，所受洛伦兹力大小为 q v B ＝ qE ，方向向上，选项 A 正确；同理可判断，选项 C 正确， B 、 D 错误． 3 ． ( 多选 ) 在如图所示的虚线所围的区域内，存在电场强度为 E 的匀强电场和磁感应强度为 B 的匀强磁场．已知从左方水平射入的电子，穿过该区域时并未发生偏转，假设重力忽略不计，则在该区域中的 E 和 B 的方向可能是 ( 　 　 ) A ． E 竖直向上， B 垂直纸面向外 B ． E 竖直向上， B 垂直纸面向里 C ． E 和 B 沿水平方向，并与电子运动的方向相同 D ． E 和 B 沿水平方向，并与电子运动的方向相反 ACD 　 解析 如果 E 竖直向上， B 垂直纸面向外，电子沿图中方向射入后，电场力向下，洛伦兹力向上，二力可能平衡，电子可能沿直线通过 E 、 B 共存区域，选项 A 正确， B 错误；如果 E 、 B 沿水平方向且与电子运动方向相同，电子不受洛伦兹力作用，但电子受到与 E 反方向的电场力作用，电子做匀减速直线运动，也不偏转，选项 C 正确；如果 E 、 B 沿水平方向，且与电子运动方向相反，电子仍不受洛伦兹力，电场力与 E 反向，即与速度同方向，故电子做匀加速直线运动，也不偏转，选项 D 正确． 4 ． 如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，速率大小不一．当电子通过方向互相垂直的匀强电场和匀强磁场后，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向外？ (2) 速度为多大的电子才能通过小孔 S ? 答案 (1) 向里　 (2)1×10 5 m/s