《磁場對運動電荷的作用力》 教學課件1

2.磁場對運動電荷的作用力內容索引0102課前篇自主預習課堂篇探究學習學習目標思維導圖1.通過實驗,認識洛倫茲力。(科學探究)2.能判斷洛倫茲力的方向。(科學思維)3.會計算洛倫茲力的大小。(科學思維)課前篇自主預習必備知識一、洛倫茲力的方向1.洛倫茲力運動電荷在磁場中受到的力。2.洛倫茲力的方向左手定則:伸開左手,使拇指與其余四個手指垂直,并且都與手掌在同一個平面內;讓磁感線從掌心垂直進入,并使四指指向正電荷運動的方向,這時拇指所指的方向就是運動的正電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向。負電荷受力的方向與正電荷受力的方向相反。想一想當帶電粒子帶負電時,如何應用左手定則?提示

讓四指指向負電荷運動方向的反方向。

二、洛倫茲力的大小1.安培力與洛倫茲力的關系電荷定向移動時所受洛倫茲力的矢量和,在宏觀上表現為通電導線在磁場中受到的安培力。2.電荷在磁場中受到洛倫茲力需要滿足的條件只有電荷的運動方向與磁場方向有一定夾角時才會受到洛倫茲力。3.洛倫茲力的計算公式F=qvBsinθ,其中q為電荷的電荷量,單位為庫侖(C);v為電荷運動的速度,單位為米每秒(m/s);B為磁場的磁感應強度,單位為特斯拉(T);θ為電荷運動的方向與磁感應強度方向的夾角。

三、電子束的磁偏轉1.電視機顯像管的構成由電子槍、偏轉線圈和熒光屏構成。2.原理(1)電子槍發(fā)射電子。(2)電子束在磁場中偏轉。(3)熒光屏被電子束撞擊發(fā)光。3.電子束在熒光屏上的移動規(guī)律(1)電子束在熒光屏上從左至右掃描一行之后迅速返回,再做下一行掃描,直到熒光屏的下端。(2)電子束從最上一行到最下一行掃描一遍叫作一場。電視機中的顯像管每秒要進行50場掃描。由于人的“視覺暫留”,我們感到整個熒光屏都在發(fā)光。自我檢測1.判斷正誤,判斷結果為錯誤的小題請說明原因。(1)運動電荷在磁感應強度不為零的地方,一定會受到洛倫茲力的作用。(

)解析

若運動電荷的運動方向與磁感應強度方向平行,則電荷受到的洛倫茲力為零。答案

×(2)運動電荷在某處不受洛倫茲力的作用,則該處的磁感應強度一定為零。(

)解析

若運動電荷在某處不受洛倫茲力的作用,則可能是電荷的運動方向與磁場的方向平行,也可能是磁感應強度為零。答案

×(3)用左手定則判斷洛倫茲力方向時,“四指的指向”與電荷定向移動方向相同。(

)解析

用左手定則判斷洛倫茲力方向時,“四指的指向”與正電荷定向移動的方向一致,與負電荷定向移動的方向相反。答案

×(4)電視機顯像管是靠磁場使電子束發(fā)生偏轉的。(

)解析

電視機顯像管中電子束是在磁場的洛倫茲力作用下發(fā)生偏轉的。答案

√2.下列說法正確的是(

)A.根據F=qvB可得B=,磁感應強度等于運動電荷垂直于磁場運動時所受磁場力和電荷量與速度之積的比值B.根據F=qvB可得B=,磁感應強度與運動電荷垂直于磁場運動時所受磁場力成正比,與電荷量與速度之積成反比C.洛倫茲力和安培力都不做功D.靜止電荷在磁場中不受力,運動電荷在磁場中一定受力解析

磁場中某點磁感應強度大小取決于磁場本身,與運動電荷的受力、電荷量和速度無關,選項A正確,B錯誤;洛倫茲力始終與速度垂直,不做功,安培力可以對導體棒做功,選項C錯誤;若運動電荷的運動方向與磁場方向平行,則不受洛倫茲力作用,選項D錯誤。答案

A課堂篇探究學習探究一洛倫茲力的方向情境探究如圖所示,用陰極射線管研究磁場對運動電荷的作用,不同方向的磁場對電子束徑跡有不同的影響。電荷偏轉方向與磁場方向、電子運動方向的關系滿足怎樣的規(guī)律?要點提示

左手定則。

知識歸納1.決定洛倫茲力方向的三個因素電荷的電性(正、負)、速度方向、磁感應強度的方向是決定洛倫茲力方向的三個要素。當電性一定時,其他兩個因素決定洛倫茲力的方向,如果只讓一個因素相反,則洛倫茲力方向必定相反;如果同時讓兩個因素相反,則洛倫茲力方向將不變。2.F、B、v三者方向間的關系(1)電荷運動方向和磁場方向間沒有因果關系,B與v不一定垂直,兩者關系是不確定的。(2)電荷運動方向和磁場方向確定洛倫茲力方向。(3)F⊥B,F⊥v,即F垂直于B和v所決定的平面。洛倫茲力與粒子運動方向、磁感應強度方向的關系

3.洛倫茲力的特點(1)洛倫茲力的方向隨電荷運動方向的變化而變化。但無論怎樣變化,洛倫茲力都與運動方向垂直。(2)洛倫茲力永不做功,它只改變電荷的運動方向,不改變電荷的速度大小。要點筆記

確定洛倫茲力的方向需明確運動電荷的電性,特別注意左手四指的指向應與負電荷的運動方向相反;當v與B不垂直時,要對磁場或速度進行分解。實例引導例1

如圖所示的磁感應強度B、電荷的運動速度v和電荷所受洛倫茲力F的相互關系圖中,畫得正確的是(其中B、F、v兩兩垂直)(

)解析

由于B、F、v兩兩垂直,根據左手定則得A、B、D選項中電荷所受的洛倫茲力都與圖示F的方向相反,故A、B、D錯誤,C正確。答案

C規(guī)律方法

用左手定則判斷洛倫茲力方向時,要特別注意以下關系:變式訓練

1(多選)下列關于圖中各帶電粒子所受洛倫茲力的方向或帶電粒子的電性的判斷正確的是(

)A.洛倫茲力方向豎直向上B.洛倫茲力方向垂直紙面向里C.粒子帶負電D.洛倫茲力方向垂直紙面向外解析

根據左手定則可知A圖中洛倫茲力方向豎直向上,B圖中洛倫茲力方向垂直紙面向里,C圖中粒子帶正電,D圖中洛倫茲力方向垂直紙面向外,故A、B、D正確,C錯誤。答案

ABD探究二洛倫茲力的大小情境探究如圖所示,磁場的磁感應強度為B,磁場中有一段通電導線,橫截面積為S,單位體積中含有的自由電荷數為n,每個自由電荷的電荷量為q且定向運動的速率都是v。(1)圖中一段長度為vt的導線中的自由電荷數是多少?導線中的電流為多大?(2)圖中一段長度為vt的導線在磁場中所受安培力多大?(3)每個自由電荷所受洛倫茲力多大?知識歸納1.洛倫茲力與安培力的關系

分類洛倫茲力安培力區(qū)別洛倫茲力是指單個運動的帶電粒子所受到的磁場力安培力是指通電直導線所受到的磁場力洛倫茲力不做功安培力可以做功聯系①安培力是洛倫茲力的宏觀表現,洛倫茲力是安培力的微觀本質;②大小關系:F安=NF洛(N是導體中定向運動的電荷數);③方向關系:洛倫茲力與安培力均可用左手定則進行判斷2.洛倫茲力大小的理解要點洛倫茲力:F=qvBsinθ,θ為電荷運動的方向與磁場方向的夾角。(1)當θ=90°時,即電荷運動方向與磁場方向垂直時,洛倫茲力最大,F=qvB。(2)當θ=0°或θ=180°時,即電荷運動方向與磁場方向平行時,F=0。(3)當v=0,即電荷在磁場中靜止時,F=0。實例引導例2

如圖所示,各圖中的勻強磁場的磁感應強度均為B,帶電粒子的速率均為v,所帶電荷量均為q。試求出圖中帶電粒子所受洛倫茲力的大小,并指出洛倫茲力的方向。解析

(1)因v⊥B,所以F=qvB,方向垂直于v指向左上方。(2)v與B的夾角為30°,將v分解成垂直于磁場的分量和平行于磁場的分量,v⊥=vsin

30°,F=qvBsin

30°=qvB,方向垂直于紙面向里。(3)由于v與B平行,所以洛倫茲力為零。(4)v與B垂直,F=qvB,方向垂直于v指向左上方。答案

(1)qvB

垂直于v指向左上方(2)

qvB

垂直于紙面向里(3)0(4)qvB

垂直于v指向左上方規(guī)律方法

計算洛倫茲力的大小時,應注意弄清v與磁感應強度B的方向關系。(1)當v⊥B時,洛倫茲力F=qvB;(2)當v∥B時,F=0;(3)當v與B成θ角(0°<θ<90°)時,應將v(或B)進行分解取它們垂直的分量計算。變式訓練

2一初速度為零的質子,質量m=1.67×10-27kg,電荷量q=1.6×10-19

C,經過電壓為1880V的電場加速后,垂直進入磁感應強度為5.0×10-4T的勻強磁場中,求質子所受洛倫茲力的大小。質子受到的洛倫茲力F=Bqv=4.8×10-17

N。

答案

4.8×10-17

N探究三帶電粒子(物體)在磁場中的運動情境探究在兩平行金屬板間,有如圖所示的互相正交的勻強電場和勻強磁場。α粒子(帶正電)以速度v0從兩極板的正中央垂直于電場方向和磁場方向射入,恰好能沿直線勻速通過。忽略重力,則:(1)若質子(帶正電)以速度v0從兩極板的正中央垂直于電場方向和磁場方向射入,質子將向哪偏轉?(2)若電子以速度v0從兩極板的正中央垂直于電場方向和磁場方向射入時,電子將向哪偏轉?(3)若質子以大于v0的速度,沿垂直于電場方向和磁場方向從兩極板正中央射入,質子將向哪偏轉?(4)若增大勻強磁場的磁感應強度,其他條件不變,電子以速度v0沿垂直于電場和磁場的方向,從兩極板正中央射入,電子將向哪偏轉?要點提示

設帶電粒子的質量為m,電荷量為q,勻強電場的電場強度為E、勻強磁場的磁感應強度為B。帶電粒子以速度v0垂直射入互相正交的勻強電場和勻強磁場中時,若粒子帶正電荷,則所受電場力方向向下,大小為qE;所受洛倫茲力方向向上,大小為qv0B。沿直線勻速通過時,有qv0B=qE,v0=,即與其質量、電荷量無關。如果粒子帶負電荷,電場力方向向上,洛倫茲力方向向下,上述結論仍然成立。所以,(1)(2)兩問中粒子均不偏轉。若質子以大于v0的速度射入兩極板之間,由于洛倫磁力F=Bqv(v>v0),洛倫茲力將大于電場力,質子帶正電荷,將向上偏轉。磁場的磁感應強度B增大時,電子射入的其他條件不變,所受洛倫茲力F=Bqv0也增大,電子帶負電荷,所受洛倫茲力方向向下,將向下偏轉。知識歸納1.帶電粒子在勻強磁場中無約束情況下做直線運動的兩種情景(1)速度方向與磁場平行,不受洛倫茲力作用,可做勻速直線運動也可在其他力作用下做變速直線運動。(2)速度方向與磁場不平行,且除洛倫茲力外的各力均為恒力,若軌跡為直線則必做勻速直線運動。帶電粒子所受洛倫茲力也為恒力。2.洛倫茲力考查角度多,因而涉及洛倫茲力的題目往往較為綜合,解題時可按以下步驟分析(1)確定研究對象,進行受力分析,注意帶電粒子在勻強磁場中,若速度方向與磁場方向不平行,則受洛倫茲力。(2)根據已知條件,結合牛頓運動定律和運動學規(guī)律,列方程求解。(3)若涉及能量,可根據動能定理或能量守恒定律,列方程求解,同時注意洛倫茲力始終與帶電粒子速度方向垂直,因而對帶電粒子不做功。實例引導例3

如圖所示,兩個完全相同的帶等量正電荷的小球a和b,從同一高度自由落下,分別穿過高度相同的水平方向的勻強電場和勻強磁場,落到地面上。(1)設兩球運動所用的總時間分別為ta、tb,則(

)A.ta=tb

B.ta>tbC.ta<tb

D.條件不足,無法比較(2)小球落地時的動能Eka與Ekb相等嗎?解析

分析兩球在豎直方向上的受力和運動情況。(1)a球進入勻強電場后,始終受到水平向右的靜電力F電=qE作用,這個力不會改變a在豎直方向運動的速度,故它下落的總時間ta與沒有電場時自由下落的時間t0相同。b球以某一速度進入勻強磁場瞬間它就受到水平向右的洛倫茲力作用,這個力只改變速度方向,會使速度方向向右發(fā)生偏轉,又因為洛倫茲力始終與速度方向垂直,當速度方向變化時,洛倫茲力的方向也發(fā)生變化,不再沿水平方向。如圖為小球b在磁場中某一位置時的受力情況,從圖中可以看出洛倫茲力F洛的豎直分量F1會影響小球豎直方向的運動,使豎直下落的加速度減小(小于g),故其下落的時間tb大于沒有磁場時小球自由下落的總時間t0。綜上所述,ta<tb。(2)設兩球運動的豎直高度為h,a球運動的水平位移為x,則對a球:Eka=mgh+qEx,對b球:Ekb=mgh。則Eka>Ekb。答案

(1)C

(2)不相等

規(guī)律方法

洛倫茲力與電場力的比較

分類洛倫茲力電場力作用條件運動電荷的速度方向與B不平行時,運動電荷才受到洛倫茲力帶電粒子只要處在電場中,就一定受到電場力大小方向F=qvBsin

θ,方向與B垂直,與v垂直,用左手定則判斷F=qE,F的方向與E同向或反向特點洛倫茲力永不做功電場力可做正功、負功或不做功相同點反映了電場和磁場都具有能施加力的性質變式訓練

3光滑絕緣桿與水平面保持θ角,磁感應強度為B的勻強磁場充滿整個空間,一個帶正電q、質量為m、可以自由滑動的小環(huán)套在桿上,如圖所示,小環(huán)下滑過程中對桿的壓力為零時,小環(huán)的速度為

。

解析

以帶電小環(huán)為研究對象,受力情況如圖所示。F=mgcos

θ,F=qvB隨堂檢測1.勻強磁場中,一個運動的帶電粒子受到洛倫茲力F的方向如圖所示,則該粒子所帶電性和運動方向可能是(

)A.粒子帶負電,向下運動B.粒子帶正電,向左運動C.粒子帶負電,向上運動D.粒子帶正電,向右運動解析

根據左手定則,讓磁感線穿過掌心,拇指指向F的方向,可判斷出四指向上,這樣存在兩種可能:粒子帶正電向上運動或粒子帶負電向下運動,故A正確,C錯誤;而粒子若左右運動,則受力沿上下方向,故B、D錯誤,正確答案是A。答案

A2.在陰極射線管中電子流方向由左向右,其上方放置一根通有如圖所示電流的直導線,導線與陰極射線管平行,則電子將(

)A.向上偏轉

B.向下偏轉C.向紙里偏轉

D.向紙外偏轉解析

由題圖可知,直導線電流的方向由左向右,根據安培定則,可判定直導線下方的磁場方向為垂直于紙面向里,而電子運動方向由左向右,由左手定則知(電子帶負電荷,四指要指向電子運動方向的反方向),電子將向下偏轉,故B選項正確。答案

B3.如圖所示,帶負電的粒子在勻強磁場中運動。關于帶電粒子所受洛倫茲力的方向,下列各圖中判斷正確的是(

)解析

本題考查了左手定則的應用,根據左手定則即可正確判斷磁場、運動方向、洛倫茲力三者之間的關系。根據左手定則可知A圖中洛倫茲力方向向下,故A正確;B圖中洛倫茲力方向向上,故B錯誤;C圖中所受洛倫茲力方向垂直紙面向里,故C錯誤;D圖中受洛倫茲力方向垂直紙面向外