第2節(jié) 磁場對運動電荷的作用力

第2節(jié)磁場對運動電荷的作用力核心素養(yǎng)導學物理觀念(1)通過實驗，認識洛倫茲力，了解洛倫茲力在生產生活中的應用。(2)了解顯像管的基本構造及工作的基本原理?？茖W思維(1)能判斷洛倫茲力的方向，會計算洛倫茲力的大小。(2)經歷由安培力公式推導出洛倫茲力公式的過程，體會模型建構與演繹推理的方法。(3)經歷一般情況下洛倫茲力表達式的得出過程，進一步體會矢量分析的方法?？茖W探究通過實驗探究影響洛倫茲力的方向和大小的因素。科學態(tài)度與責任認識電子束的磁偏轉，體會物理知識與科學技術的關系。一、洛倫茲力的方向1．洛倫茲力：_________在磁場中受到的力。2．洛倫茲力方向的判斷左手定則：伸開左手，使拇指與其余四個手指______，并且都與手掌在同一個平面內；讓________從掌心垂直進入，并使四指指向___電荷運動的方向，這時_____所指的方向就是運動的正電荷在磁場中所受_________的方向。

(1)正電荷所受洛倫茲力方向用左手定則判定，和安培力的方向判斷方法類似。(2)負電荷所受洛倫茲力的方向與正電荷相反。

運動電荷垂直磁感線拇指正洛倫茲力二、洛倫茲力的大小1．電荷量為q的粒子以速度v運動時，如果速度方向與磁感應強度B的方向_____，則F＝______。2．當電荷運動的方向與_____的方向夾角為θ時，F＝_________。3．當電荷沿磁場方向運動(即θ＝0或v∥B)時，F＝___。三、電子束的磁偏轉1．顯像管的構造：如圖所示，由電子槍、__________和熒光屏組成。垂直qvB磁場qvBsin

θ0偏轉線圈2．顯像管的原理(1)電子槍______________。(2)磁場使電子束_____。(3)熒光屏被電子束撞擊發(fā)光。[微點撥]磁偏轉的原因是洛倫茲力的方向與粒子速度方向始終垂直。1.觀察陰極射線管中電子束的運動，判斷電子束的偏轉情況。(1)沒有加磁場時，電子束呈__________。(2)加上磁場時，電子束的徑跡發(fā)生_____。(3)改變磁場方向，電子束會向_________彎曲。發(fā)射高速電子偏轉一條直線彎曲相反方向2．如圖是導體中的電流所受安培力和導體中定向運動的帶電粒子

所受洛倫茲力示意圖，怎樣由此圖推導洛倫茲力的公式？新知學習(一)|洛倫茲力方向的判斷[任務驅動]如圖是磁流體發(fā)電機的裝置，等離子體中含有大量的正、負帶電粒子，思考下列問題：(1)等離子體噴入磁場，正、負粒子偏轉方向是否相同？(2)A、B板哪一個是電源的正極？提示：(1)正、負粒子偏轉方向相反。(2)根據左手定則，B板是電源的正極。

[重點釋解]1．決定洛倫茲力方向的三個因素：電荷的正負、速度方向、磁感應強度的方向。2．洛倫茲力的方向總是與電荷運動的方向和磁場方向垂直，即洛倫茲力的方向總是垂直于運動電荷速度方向和磁場方向確定的平面。即F、B、v三個量的方向關系是：F⊥B，F⊥v，但B與v不一定垂直。3．當電荷運動方向發(fā)生變化時，洛倫茲力的方向也隨之變化。4．用左手定則判定負電荷在磁場中運動所受的洛倫茲力方向時，應注意將四指指向負電荷運動的反方向。[典例體驗][典例]

(多選)一帶電粒子(重力不計，圖中已標明粒子所帶電荷的正負)進入磁場中，下列關于磁場方向、速度方向及帶電粒子所受的洛倫茲力方向的標示正確的是

(

)[解析]

A中，帶負電荷的粒子向右運動，掌心向外，四指所指的方向向左，拇指所指的方向向下，A正確；B中，帶正電荷的粒子向下運動，掌心向里，四指所指的方向向下，拇指的方向向左，B正確；C中，帶正電荷粒子的運動方向與磁感線平行，此時不受洛倫茲力的作用，C錯誤；D中，帶負電荷的粒子向右運動，掌心向外，四指所指的方向向左，拇指所指的方向向下，D錯誤。[答案]

AB/易錯警示/判斷洛倫茲力方向時的易錯點(1)注意電荷的正負，尤其是判斷負電荷所受洛倫茲力方向時，四指應指向負電荷運動的反方向。(2)洛倫茲力的方向一定垂直于B和v所決定的平面。[針對訓練]1．一束混合粒子流從一發(fā)射源射出后，進入如圖所示的磁場，分離

為1、2、3三束粒子流，則下列選項不正確的是

(

)A．1帶正電荷

B．1帶負電荷C．2不帶電

D．3帶負電荷解析：根據左手定則，帶正電荷的粒子向左偏，即粒子流1帶正電荷；不偏轉說明不帶電，即粒子流2不帶電；帶負電荷的粒子向右偏，說明粒子流3帶負電荷，B不正確。答案：B

2．(選自魯科版教材課后練習)當條形磁鐵從正面靠近陰極射線管時，管內射線出現如圖所示的偏轉。由上述信息判斷：與陰極射線管離得近的是條形磁鐵的哪個磁極？請說明理由。提示：N極。射線帶負電荷，根據左手定則判斷磁感線方向應垂直于紙面向里，所以是N極。2．洛倫茲力與靜電力的比較比較項目洛倫茲力靜電力性質磁場對在其中運動電荷的作用力電場對放入其中電荷的作用力產生條件v≠0且v不與B平行電場中的電荷一定受到靜電力作用大小F＝qvB(v⊥B)F＝qE力方向與場方向的關系一定是F⊥B，F⊥v正電荷受靜電力方向與電場方向相同，負電荷受靜電力方向與電場方向相反做功情況任何情況下都不做功可能做正功、負功、或不做功力F為0時場的情況F為0，B不一定為0F為0，E一定為0作用效果只改變電荷運動的速度方向，不改變速度大小既可以改變電荷運動的速度大小，也可以改變電荷運動的方向[典例體驗][典例]

(2022·福建福州期末)如圖所示是磁流體發(fā)電機裝置，P、Q組成一對平行電極板，兩極板間距為d，板長為a，寬為b，板內有磁感應強度為B的勻強磁場?，F持續(xù)將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和負電的微粒，整體呈電中性)垂直噴入磁場，離子的速度均為v，負載電阻的阻值為R，當發(fā)電機穩(wěn)定發(fā)電時，負載電阻中的電流為I，求：(1)P、Q兩板哪塊板的電勢高；(2)磁流體發(fā)電機的電動勢E；(3)兩板間等離子體的電阻率ρ。/方法技巧/磁流體發(fā)電機問題的解題技巧(1)根據左手定則判斷正離子偏轉方向，找出電源的正、負極。(2)根據洛倫茲力和靜電力平衡列出方程。(3)結合閉合電路歐姆定律求出未知量。[針對訓練]1．兩個帶電粒子以相同的速度垂直磁感線方向進入同一勻強磁場，兩粒子質量之比為1∶4，電荷量之比為1∶2，則兩帶電粒子受洛倫茲力之比為

(

)A．2∶1 B．1∶1C．1∶2 D．1∶4解析：帶電粒子的速度方向與磁感線方向垂直時，洛倫茲力F＝qvB，與電荷量成正比，與質量無關，C項正確。答案：C2．在以下的各圖中，勻強磁場的磁感應強度均為B，帶電粒子的速率均為v，帶電荷量均為q。試求出圖中帶電粒子所受洛倫茲力的大小。[答案]

B[拓展1]

(多選)對應[典例]中的情境，若小球先后兩次通過相同最低點時，相同的物理量有

(

)A．小球受到的洛倫茲力B．小球的加速度C．小球的動能D．小球的動量[答案]

BC[答案]

D[內化模型]帶電體受洛倫茲力綜合問題的思維建模(1)以帶電體為模型，分析帶電體的受力情況，可能有重力、彈力、摩擦力、洛倫茲力等。(2)帶電體的運動可能為直線運動、圓周運動等，其中洛倫茲力的大小和方向都可能隨速度的變化而變化，但洛倫茲力永遠不做功。(3)根據不同的運動情況可以選擇平衡條件、牛頓第二定律、動能定理等列方程求解。[針對訓練]1．(2023·海南高考)如圖所示，帶正電的小球豎直向下射入垂直紙面向里的勻強磁場，關于小球運動和受力的說法正確的是(

)A．小球剛進入磁場時受到的洛倫茲力水平向右B．小球運動過程中的速度不變C．小球運動過程中的加速度保持不變D．小球受到的洛倫茲力對小球做正功答案：A

解析：根據左手定則，可知小球剛進入磁場時受到的洛倫茲力水平向右，A正確；小球受洛倫茲力和重力作用，合力不為零且時刻變化，則小球運動過程中的速度、加速度都改變，B、C錯誤；洛倫茲力永不做功，D錯誤。2．如圖，光滑半圓形軌道與光滑斜面軌道在D處平滑連接，前者

置于水平向外的勻強磁場中，有一帶正電荷小球從A處靜止釋

放，且能沿軌道運動，并恰能通過半圓形軌道最高點C?，F若撤去磁場，使小球從靜止釋放仍能恰好通過半圓形軌道最高點，則釋放高度H′與原釋放高度H的關系是

(

)A．H′＜H B．H′＝HC．H′＞H D．無法確定一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

物理觀念——洛倫茲力方向的判斷1．(選自粵教版教材課后練習)試判定圖中各帶電粒子所受洛倫茲力的方向或帶電粒子的運動方向。解析：根據左手定則可判斷出帶電粒子所受洛倫茲力的方向或運動方向。答案：見解析

科學思維——帶電體受洛倫茲力下的運動2．(選自滬科版教材課后練習)如圖所示，一個質量m＝0.1g、

所帶電荷量q＝5×10－4C的小滑塊，放置在傾角α＝30°的

光滑斜面(絕緣且足夠長)上，斜面置于B＝0.5T的勻強磁場

中，磁場方向垂直紙面向里。小滑塊由靜止開始沿斜面下滑，它滑至某一位置時會離開斜面。問：(g取10m/s2)(1)小滑塊帶何種電荷？(2)小滑塊離開斜面時的瞬時速度為多大？(3)該斜面的長度至少要多長？答案：(1)負電荷(2)3.46m/s

(3)1.2m

科學態(tài)度與責任——洛倫茲力的實際應用3．(選自粵教版教材課后練習)

為了診斷病人的心臟功能和動脈中血液黏滯情況，可使用電

磁流量計測量血管中血液的流速和流量。如圖所示是電磁流

量計測量血管中血液流速的示意圖，使血管處于磁感應強度

為B的勻強磁場中，測得血管兩側電壓為U。已知血管的直徑為d，假定血管中各處液體的流速v相同，忽略重力影響。(1)管壁上點a和點b，哪一點的電勢高？(2)試求血管中血液的流速v。二、新題目精選——品立意深處所蘊含的核心價值1．(2022·武漢高二調研)如圖為電視機顯像管的偏轉線圈示意圖，線

圈中心O處的黑點表示電子槍射出的電子，它的速度方向垂直紙

面向外，當偏轉線圈中的電流方向如圖所示時，電子束應

(

)A．向左偏轉

B．向上偏轉C．向下偏轉

D．不偏轉解析：由安培定則可以判斷出兩個線圈的左端是N極，磁感線分布如圖所示，再由左手定則判斷出電子束應向下偏轉，C正確。答案：C

2．太陽風暴爆發(fā)時會噴射大量的高能帶電粒子流和等離子體，釋放

的物質和能量到達近地空間，可引起地球磁層、電離層、中高