3.5_運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中受到的力 上課用

1、3.5 運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中受到的力美麗的極光美麗的極光v 在太陽創(chuàng)造的諸如光和熱等形式的能量中，在太陽創(chuàng)造的諸如光和熱等形式的能量中，有一種能量被稱為有一種能量被稱為“太陽風(fēng)太陽風(fēng)”。這是一束可。這是一束可以覆蓋地球的強(qiáng)大的帶電亞原子顆粒流，該以覆蓋地球的強(qiáng)大的帶電亞原子顆粒流，該太陽風(fēng)在地球上空環(huán)繞地球流動(dòng)，以大約每太陽風(fēng)在地球上空環(huán)繞地球流動(dòng)，以大約每秒秒400400公里的速度撞擊地球磁場，磁場使該顆公里的速度撞擊地球磁場，磁場使該顆粒流偏向地磁極下落，它們與氧和氮的原子粒流偏向地磁極下落，它們與氧和氮的原子碰撞，擊走電子，使之成為激發(fā)態(tài)的離子，碰撞，擊走電子，使之成為激發(fā)態(tài)的離子，這些離子

2、發(fā)射不同波長的輻射，產(chǎn)生出紅、這些離子發(fā)射不同波長的輻射，產(chǎn)生出紅、綠或藍(lán)等色的極光特征色彩，形成極光。在綠或藍(lán)等色的極光特征色彩，形成極光。在南極地區(qū)形成的叫南極光。在北極地區(qū)同樣南極地區(qū)形成的叫南極光。在北極地區(qū)同樣可看到這一現(xiàn)象，稱之為北極光。可看到這一現(xiàn)象，稱之為北極光。知識回顧：知識回顧：磁場對電流的作用磁場對電流的作用安培力安培力判斷下列圖中安培力的方向，及大小。判斷下列圖中安培力的方向，及大小。IB若導(dǎo)線的電流為若導(dǎo)線的電流為I I、磁場強(qiáng)度為、磁場強(qiáng)度為B B，導(dǎo)線長，導(dǎo)線長度度L L，則所受的安培力為多少？，則所受的安培力為多少？磁場對處于磁場中的電流有力的作用磁場對處于磁場

3、中的電流有力的作用電流是怎樣產(chǎn)生的呢？電流是怎樣產(chǎn)生的呢？電荷的定向移動(dòng)產(chǎn)生電流電荷的定向移動(dòng)產(chǎn)生電流【思考與討論思考與討論】 磁場對放入其中的電流（垂直）有力磁場對放入其中的電流（垂直）有力的作用，而電流是因?yàn)殡姾傻亩ㄏ蜃鞯淖饔?，而電流是因?yàn)殡姾傻亩ㄏ蜃饔靡苿?dòng)形成的，那么是不是磁場對運(yùn)用移動(dòng)形成的，那么是不是磁場對運(yùn)動(dòng)電荷也有力的作用？動(dòng)電荷也有力的作用？演示實(shí)驗(yàn)：演示實(shí)驗(yàn)：陰極射線管陰極射線管實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象：1 1、在沒有外磁場時(shí)，電子束沿直線運(yùn)動(dòng)、在沒有外磁場時(shí)，電子束沿直線運(yùn)動(dòng)2 2、電子流在磁場中發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生、電子流在磁場中發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生彎曲

4、，當(dāng)磁場的方向發(fā)生變化時(shí)，電子流的彎彎曲，當(dāng)磁場的方向發(fā)生變化時(shí)，電子流的彎曲方向也發(fā)生了改變曲方向也發(fā)生了改變結(jié)論：結(jié)論：1 1、磁場對運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用、磁場對運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用2 2、磁場對運(yùn)動(dòng)電荷力的方向與磁場的方向及電、磁場對運(yùn)動(dòng)電荷力的方向與磁場的方向及電荷的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)荷的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中所受的力運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中所受的力洛倫茲力洛倫茲力一、洛倫茲力一、洛倫茲力1 1、定義：、定義：運(yùn)動(dòng)電荷在磁場運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中受到的力稱為中受到的力稱為洛洛倫倫茲力茲力. .2.2.洛倫茲力與安培力的關(guān)系：洛倫茲力與安培力的關(guān)系： 安培力是洛倫茲力的安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。宏觀表現(xiàn)

5、。洛倫茲力是安培力的洛倫茲力是安培力的微觀本質(zhì)。微觀本質(zhì)。推理：我們曾經(jīng)用左手定則判定安培力的方推理：我們曾經(jīng)用左手定則判定安培力的方向。大量定向移動(dòng)電荷所受洛倫茲力宏觀表向。大量定向移動(dòng)電荷所受洛倫茲力宏觀表現(xiàn)為安培力，因此，可以用左手定則判定洛現(xiàn)為安培力，因此，可以用左手定則判定洛倫茲力的方向。倫茲力的方向。洛侖茲力洛侖茲力F F洛洛的方向如何確定？的方向如何確定？二二. .洛倫茲力的方向洛倫茲力的方向-左手定則左手定則vv1 1、伸開左手，使大拇指和其余、伸開左手，使大拇指和其余四指垂直且處于同一平面內(nèi)，把四指垂直且處于同一平面內(nèi)，把手放入磁場中，讓磁感線穿入手手放入磁場中，讓磁感線穿入

6、手心，使四指指向心，使四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方正電荷運(yùn)動(dòng)的方向向，那么拇指所指的方向就使正，那么拇指所指的方向就使正電荷所受洛倫茲力的方向。電荷所受洛倫茲力的方向。 2 2、如果運(yùn)動(dòng)的是負(fù)電荷，則、如果運(yùn)動(dòng)的是負(fù)電荷，則四指指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向，四指指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向，那么拇指所指的方向就是負(fù)電那么拇指所指的方向就是負(fù)電荷所受洛倫茲力的方向。荷所受洛倫茲力的方向。vFvFvvvNvS下圖中電子束的偏轉(zhuǎn)方向？下圖中電子束的偏轉(zhuǎn)方向？v實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：vSvN 實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明左手定則適用于洛倫茲力方向的實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明左手定則適用于洛倫茲力方向的判定。判定。vvBvFF垂直紙面向外垂直紙面向外例

7、：例： 試判斷下圖中的帶電粒子剛進(jìn)入磁場時(shí)所試判斷下圖中的帶電粒子剛進(jìn)入磁場時(shí)所受的洛倫茲力的方向受的洛倫茲力的方向 判斷洛倫茲力方向時(shí)，要分清研究的是正電荷判斷洛倫茲力方向時(shí)，要分清研究的是正電荷還是負(fù)電荷，要是負(fù)電荷，四指要指向負(fù)電荷還是負(fù)電荷，要是負(fù)電荷，四指要指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向運(yùn)動(dòng)的反方向, ,并且左右手也得分清。并且左右手也得分清。三、探究洛倫茲力大小的表達(dá)式：三、探究洛倫茲力大小的表達(dá)式： 設(shè)有一段長為設(shè)有一段長為L L，橫截面積為，橫截面積為S S的直導(dǎo)線，單位的直導(dǎo)線，單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n n，每個(gè)自由電荷的電荷，每個(gè)自由電荷的電荷量為量為q q，

8、自由電荷定向移動(dòng)的速率為，自由電荷定向移動(dòng)的速率為v v。這段通。這段通電導(dǎo)線垂直磁場方向放入磁感應(yīng)強(qiáng)度為電導(dǎo)線垂直磁場方向放入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B的勻強(qiáng)的勻強(qiáng)磁場中，求磁場中，求（1 1）電流強(qiáng)度）電流強(qiáng)度I I。（2 2）通電導(dǎo)線所受的安培力。）通電導(dǎo)線所受的安培力。（3 3）這段導(dǎo)線內(nèi)的自由電荷數(shù)。）這段導(dǎo)線內(nèi)的自由電荷數(shù)。（4 4）每個(gè)電荷所受的洛倫茲力。）每個(gè)電荷所受的洛倫茲力。( (適用條件：速度方向與磁場方向垂直適用條件：速度方向與磁場方向垂直) )若速度若速度v v與磁場與磁場B B的方的方向夾角為向夾角為導(dǎo)線中的電流強(qiáng)度導(dǎo)線中的電流強(qiáng)度:導(dǎo)線受安培力為導(dǎo)線受安培力為: :導(dǎo)線中

9、的電荷的總個(gè)數(shù)為總電荷數(shù)：導(dǎo)線中的電荷的總個(gè)數(shù)為總電荷數(shù)：每個(gè)電荷受力為每個(gè)電荷受力為: :F=qV1B=qVBsin（ 為為V與與B的夾角）的夾角）vvvvBV2V1I=nqsv F安安ILB（nqsv）LBN=nsLFVB1 1、洛倫茲力的大小、洛倫茲力的大小 F=qVBsin（ 為為V與與B的夾角）的夾角）（1 1）V =0V =0時(shí)，時(shí)，F(xiàn) =0F =0，即磁場對靜止電荷沒有力的，即磁場對靜止電荷沒有力的作用作用（2 2） =0 ( VB=0 ( VB）時(shí)，）時(shí)，F(xiàn) =0F =0（3 3） = 90= 90 ( VB ( VB）時(shí)，）時(shí)， F=qVBF=qVB對洛倫茲力的進(jìn)一步理解對洛

10、倫茲力的進(jìn)一步理解(1)(1)洛倫茲力的方向洛倫茲力的方向遵守法則：同安培力一樣，洛倫茲力的方向遵守法則：同安培力一樣，洛倫茲力的方向遵守左手定則遵守左手定則決定洛倫茲力方向的因素有三個(gè)：電荷的電決定洛倫茲力方向的因素有三個(gè)：電荷的電性性( (正、負(fù)正、負(fù)) )、速度方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向、速度方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向在研究電荷的運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向垂直的情在研究電荷的運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向垂直的情況時(shí)，由左手定則可知，況時(shí)，由左手定則可知，F(xiàn) F洛洛B B，F(xiàn) F洛洛v v即即F F洛洛垂直于垂直于B B和和v v兩者決定的平面但兩者決定的平面但B B和和V V不一定垂不一定垂直直（2 2）洛倫茲力

11、的大?。海┞鍌惼澚Φ拇笮。褐挥羞\(yùn)動(dòng)的電荷收到洛倫茲力，靜止的電荷只有運(yùn)動(dòng)的電荷收到洛倫茲力，靜止的電荷不受洛倫茲力。不受洛倫茲力。電荷垂直磁場運(yùn)動(dòng)時(shí)，洛倫茲力最大，平行電荷垂直磁場運(yùn)動(dòng)時(shí)，洛倫茲力最大，平行磁場運(yùn)動(dòng)時(shí)不受洛倫茲力。磁場運(yùn)動(dòng)時(shí)不受洛倫茲力。公式公式F Fq qv vB B 中的中的v v是帶電粒子相對于磁場的是帶電粒子相對于磁場的運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)速度思考與討論：思考與討論：1 1、洛倫茲力對帶電粒子運(yùn)動(dòng)的速度有什么樣的影、洛倫茲力對帶電粒子運(yùn)動(dòng)的速度有什么樣的影響？響？ 洛倫茲力只改變速度方向，不改變速度的大小。洛倫茲力只改變速度方向，不改變速度的大小。2 2、洛倫茲力對帶電粒子做的

12、功是多少？、洛倫茲力對帶電粒子做的功是多少？洛侖茲力對帶電粒子永不做功。洛侖茲力對帶電粒子永不做功。例、當(dāng)一帶正電例、當(dāng)一帶正電q q的粒子以速度的粒子以速度v v沿螺線管中軸線沿螺線管中軸線進(jìn)入該通電螺線管，若不計(jì)重力，則進(jìn)入該通電螺線管，若不計(jì)重力，則 A A帶電粒子速度大小改變；帶電粒子速度大小改變；B B帶電粒子速度方向改變；帶電粒子速度方向改變；C C帶電粒子速度大小不變；帶電粒子速度大小不變；D D帶電粒子速度方向不變。帶電粒子速度方向不變。CDv.帶正電粒子在磁場帶正電粒子在磁場中受不受洛倫茲力中受不受洛倫茲力決定于速度的方向決定于速度的方向和磁場的方向，所和磁場的方向，所以在速

13、度已知的情以在速度已知的情況下，一定要弄清況下，一定要弄清磁場的分布特點(diǎn)。磁場的分布特點(diǎn)。2 2、洛倫茲力與安培力的關(guān)系、洛倫茲力與安培力的關(guān)系洛倫茲力是單個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中受到的力，洛倫茲力是單個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中受到的力，而安培力是導(dǎo)體中所有定向移動(dòng)的自由電荷受到而安培力是導(dǎo)體中所有定向移動(dòng)的自由電荷受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)盡管安培力是自由電荷定向移動(dòng)時(shí)受到的洛倫盡管安培力是自由電荷定向移動(dòng)時(shí)受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，但也不能認(rèn)為安培力就簡單地茲力的宏觀表現(xiàn)，但也不能認(rèn)為安培力就簡單地等于所有定向移動(dòng)電荷所受洛倫茲力的和，一般等于所有定向移動(dòng)電荷所受洛倫茲力的和，一般只有

14、當(dāng)導(dǎo)體靜止時(shí)才能這樣認(rèn)為只有當(dāng)導(dǎo)體靜止時(shí)才能這樣認(rèn)為F F安安與與F F洛洛方向相同，方向相同，洛倫茲力恒不做功，但安培洛倫茲力恒不做功，但安培力卻可以做功力卻可以做功F F安安與與F F洛洛的本質(zhì)都是磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力的本質(zhì)都是磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力3 3、洛倫茲力與電場力的比較、洛倫茲力與電場力的比較洛倫茲力洛倫茲力電場力電場力性質(zhì)性質(zhì) 洛倫茲力是磁場對運(yùn)動(dòng)洛倫茲力是磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力電荷的作用力電場力是電場對電電場力是電場對電荷的作用力荷的作用力產(chǎn)生產(chǎn)生條件條件磁場中靜止電荷、沿磁磁場中靜止電荷、沿磁場方向運(yùn)動(dòng)的電荷不受場方向運(yùn)動(dòng)的電荷不受洛倫茲力洛倫茲力電場中的電荷無論電場中的

15、電荷無論靜止、還是沿任靜止、還是沿任何方向運(yùn)動(dòng)都要何方向運(yùn)動(dòng)都要受到電場力受到電場力方向方向方向由電荷的正負(fù)、磁方向由電荷的正負(fù)、磁場的方向以及電荷的運(yùn)場的方向以及電荷的運(yùn)動(dòng)方向決定，方向之間動(dòng)方向決定，方向之間的關(guān)系遵循左手定則的關(guān)系遵循左手定則方向由電荷的正負(fù)、方向由電荷的正負(fù)、電場的方向決定電場的方向決定洛倫茲力洛倫茲力電場力電場力大小大小FqvB(vB)FqE作用作用效果效果洛倫茲力只改變洛倫茲力只改變電荷運(yùn)動(dòng)速度電荷運(yùn)動(dòng)速度的方向，不能的方向，不能改變速度的大改變速度的大小小電場力既可以改變電電場力既可以改變電荷運(yùn)動(dòng)的速度方向荷運(yùn)動(dòng)的速度方向又可以改變電荷運(yùn)又可以改變電荷運(yùn)動(dòng)速度的大

16、小動(dòng)速度的大小做功做功情況情況洛倫茲力一定不洛倫茲力一定不做功做功電場力可以不做功，電場力可以不做功，也可以做功也可以做功四、電視顯像管的工作原理四、電視顯像管的工作原理電視顯像管應(yīng)用了電視顯像管應(yīng)用了電子束在磁場中的偏轉(zhuǎn)原理。電子束在磁場中的偏轉(zhuǎn)原理。電子束射向熒光屏就能發(fā)光，一束電子束只能使電子束射向熒光屏就能發(fā)光，一束電子束只能使熒光屏上的一個(gè)點(diǎn)發(fā)光，而通過偏轉(zhuǎn)線圈中磁場熒光屏上的一個(gè)點(diǎn)發(fā)光，而通過偏轉(zhuǎn)線圈中磁場的偏轉(zhuǎn)就可以使整個(gè)熒光屏發(fā)光。的偏轉(zhuǎn)就可以使整個(gè)熒光屏發(fā)光。如圖所示，電視顯像管中，要使電子束從如圖所示，電視顯像管中，要使電子束從B B逐逐漸向漸向A A點(diǎn)掃描，必須加一個(gè)怎樣

17、變化的偏轉(zhuǎn)磁點(diǎn)掃描，必須加一個(gè)怎樣變化的偏轉(zhuǎn)磁場？場？ 熒光屏中點(diǎn)熒光屏中點(diǎn)O O的下方，的下方，應(yīng)加一垂直向內(nèi)的磁應(yīng)加一垂直向內(nèi)的磁場，且越下方磁場越場，且越下方磁場越強(qiáng)，而在強(qiáng)，而在O O點(diǎn)的上方，點(diǎn)的上方，應(yīng)加一垂直向外的磁應(yīng)加一垂直向外的磁場，且越上方的磁場場，且越上方的磁場越強(qiáng)。越強(qiáng)。電視顯像管中的掃描電視顯像管中的掃描在電視顯像管的偏轉(zhuǎn)區(qū)中在電視顯像管的偏轉(zhuǎn)區(qū)中存在水平方向和豎直方向存在水平方向和豎直方向強(qiáng)弱和方向都在不斷變化強(qiáng)弱和方向都在不斷變化的偏轉(zhuǎn)磁場，于是，電子的偏轉(zhuǎn)磁場，于是，電子槍發(fā)出的電子束在熒光屏槍發(fā)出的電子束在熒光屏上的發(fā)光點(diǎn)不斷移動(dòng)，對上的發(fā)光點(diǎn)不斷移動(dòng)，對圖像

18、進(jìn)行掃描，掃描的路圖像進(jìn)行掃描，掃描的路線如圖所示，從線如圖所示，從a a開始，逐開始，逐行進(jìn)行，直到行進(jìn)行，直到b b，且每秒要，且每秒要進(jìn)行進(jìn)行5050場掃描，結(jié)果，我場掃描，結(jié)果，我們就感覺到熒光屏上整個(gè)們就感覺到熒光屏上整個(gè)都發(fā)光了。都發(fā)光了。 (1)(1)速度選擇器速度選擇器原理：如右圖所示，所受原理：如右圖所示，所受重力可忽略不計(jì)運(yùn)動(dòng)方向相重力可忽略不計(jì)運(yùn)動(dòng)方向相同而速率不同的正粒子組成同而速率不同的正粒子組成的粒子束射入相互正交的勻的粒子束射入相互正交的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場所組成的場區(qū)中，已知電場強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場所組成的場區(qū)中，已知電場強(qiáng)度為強(qiáng)度為E E，磁感應(yīng)強(qiáng)度為，磁感應(yīng)強(qiáng)度為

19、B B，方向垂直于紙面向，方向垂直于紙面向里，若粒子運(yùn)動(dòng)軌跡不發(fā)生偏折里，若粒子運(yùn)動(dòng)軌跡不發(fā)生偏折( (重力不計(jì)重力不計(jì)) )，必須滿足平衡條件：必須滿足平衡條件：qBvqBvqEqE，故，故v vE/BE/B，這，這樣就把滿足樣就把滿足v vE/BE/B的粒子從速度選擇器中選擇的粒子從速度選擇器中選擇出來了出來了五、洛倫茲力在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用五、洛倫茲力在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用(2)(2)磁流體發(fā)電機(jī)磁流體發(fā)電機(jī)目前世界上正在研究的一目前世界上正在研究的一種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)電機(jī)，它可以把氣體的內(nèi)電機(jī)，它可以把氣體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能，如右圖表示出了它的發(fā)電原理：能直接轉(zhuǎn)化

20、為電能，如右圖表示出了它的發(fā)電原理：將一束等離子體將一束等離子體( (即高溫下電離的氣體，含有大量帶正即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和帶負(fù)電的微粒而從整體上來說是呈電中性電和帶負(fù)電的微粒而從整體上來說是呈電中性) )噴射噴射入磁場，磁場中有兩塊金屬板入磁場，磁場中有兩塊金屬板A A、B B，則高速射入的離，則高速射入的離子在洛倫茲力的作用下向子在洛倫茲力的作用下向A A、B B兩板聚集，使兩板間產(chǎn)兩板聚集，使兩板間產(chǎn)生電勢差，若平行金屬板間距為生電勢差，若平行金屬板間距為d d，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為強(qiáng)度為B B，等離子體流速為，等離子體流速為v v，氣體從一側(cè)面垂直磁場

21、，氣體從一側(cè)面垂直磁場射入板間，不計(jì)氣體電阻，外電路電阻為射入板間，不計(jì)氣體電阻，外電路電阻為R R，則兩板間，則兩板間最大電壓和可能達(dá)到的最大電流為多少？最大電壓和可能達(dá)到的最大電流為多少？例、有關(guān)電荷所受電場力和洛倫茲力的說法中，例、有關(guān)電荷所受電場力和洛倫茲力的說法中，正確的是（正確的是（ ）A A電荷在磁場中一定受洛倫茲力的作用電荷在磁場中一定受洛倫茲力的作用. .B B電荷在電場中一定受電場力的作用電荷在電場中一定受電場力的作用. .C C電荷受電場力的方向與該處的電場方向一致電荷受電場力的方向與該處的電場方向一致. .D D電荷若受洛倫茲力，則受力方向與該處的磁電荷若受洛倫茲力，則受力方向與該處的磁場方向垂直場方向垂直. .BD例帶電荷量為例帶電荷量為+q+q的粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動(dòng)的粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動(dòng), ,下下面說法中正確的是面說法中正確的是( ( ) )A A只要速度大小相同只要速度大小相同, ,所受洛倫茲力就相同所受洛倫茲力就相同. . B B如果把如果把+q+q改為改為-q,-q,且速度反向、大小不變且速度反向、大小不變, ,則則洛倫茲力的大小不變洛倫茲力的大小不變. .C C洛倫茲力方向一定與電荷速度方向垂直洛倫茲力方向一定與電荷速度方向垂直, ,磁場磁場方向一定與電荷運(yùn)動(dòng)方向垂直方向一定與電荷運(yùn)動(dòng)方向垂