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1、2022年高中物理選修新課標(biāo)人教版選修3-1第三章3 5 運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中受到的力 學(xué)案
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1、知道什么是洛倫茲力。 2、利用左手定則會(huì)判斷洛倫茲力的方向，理解洛倫茲力對(duì)電荷不做功。
3、掌握洛倫茲力大小的推理過程和掌握洛倫茲力大小的計(jì)算。 4、了解電視機(jī)顯像管的工作原理。
【學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn)】
1、利用左手定則會(huì)判斷洛倫茲力的方向和洛倫茲力大小計(jì)算公式的推導(dǎo)和應(yīng)用。
2、洛倫茲力對(duì)帶電粒子不做功.
【自主學(xué)習(xí)】
一、洛倫茲力的方向和大小
1．演示實(shí)驗(yàn)：
陰極射線管發(fā)出的電子束，如上圖甲中的徑跡是
把電子射線管放在蹄形磁鐵的磁場中，如圖乙中電子束的
2、徑跡 ，若調(diào)換磁鐵南北極的位置，則電子束的徑跡會(huì)
2．洛倫茲力
(1)定義： 在磁場中所受的力．
(2)與安培力的關(guān)系：通電導(dǎo)線在磁場中所受的安培力是洛倫茲力的 ，而洛倫茲力是安培力的微觀本質(zhì)．
3．洛倫茲力的方向
(1)左手定則：
伸開左手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi)．讓 從掌心進(jìn)入，并使四指指向 ，這時(shí)拇指所指的方向就是運(yùn)動(dòng)的正電荷在磁場中所受 的方向．
(2)特點(diǎn)：洛倫茲力的方向與電荷運(yùn)動(dòng)方向和磁場方向都 ，洛倫茲力只改變帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向，不改變速度大小，對(duì)電荷不做功．
4．洛倫茲力的大小
(
3、1)當(dāng) 時(shí)，F(xiàn)＝qvB.
(2)當(dāng) 時(shí)，F(xiàn)＝0.
二、電視顯像管的工作原理
1．電視顯像管應(yīng)用了電子束 的原理．
2．電子束打在熒光屏上的位置在偏轉(zhuǎn)磁場的控制下一行一行的不斷移動(dòng)，這在電視技術(shù)中叫做 .
【合作探究】
1、怎樣判斷洛倫茲力的方向？
【針對(duì)性練習(xí)】
判斷圖中帶電粒子所受洛倫茲力的方向
2、洛倫茲力能對(duì)電荷做功嗎？
3、洛倫茲力的大小推導(dǎo)
假設(shè)：設(shè)有一段長度為L的通電導(dǎo)線，橫截面積為S，導(dǎo)線每單位體積中含有的自由電荷數(shù)為n，每個(gè)自由電荷的電量為q，定向移動(dòng)的平均速率為v，將這段導(dǎo)線垂直于磁場方向放入磁感應(yīng)強(qiáng)度為
4、B的磁場中。
問題1：這段導(dǎo)線中電流I的微觀表達(dá)式是多少？I=
問題2：這段導(dǎo)體所受的安培力為多大？F=
問題3：這段導(dǎo)體中含有多少自由電荷數(shù)？N=
問題4：每個(gè)自由電荷所受的洛倫茲力大小為多少？f=
4、若帶電粒子不垂直射入磁場,電子受到的洛倫茲力又如何呢?
5．電視機(jī)顯像管中應(yīng)用了哪些物理原理？
【精講
5、點(diǎn)撥】
1．對(duì)洛倫茲力的進(jìn)一步理解
(1)洛倫茲力的方向
①?zèng)Q定洛倫茲力方向的因素有三個(gè)：電荷的電性(正、負(fù))、速度方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向．
②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，F(xiàn)洛⊥B，F(xiàn)洛⊥v即F洛垂直于B和v兩者決定的平面．
(1)公式F＝qvB中的v是帶電粒子相對(duì)于磁場的運(yùn)動(dòng)速度．
(2)判斷負(fù)電荷在磁場中運(yùn)動(dòng)所受洛倫茲力的方向，四個(gè)手指要伸向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的相反方向．
(3)電荷運(yùn)動(dòng)的方向v和磁場的方向B不一定垂直，但洛倫茲力一定垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度B和速度v的方向．
(2)洛倫茲力與安培力的關(guān)系
①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
6、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)．
②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)為安培力就簡單地等于所有定向移動(dòng)電荷所受洛倫茲力的和，一般只有當(dāng)導(dǎo)體靜止時(shí)才能這樣認(rèn)為．
③洛倫茲力恒不做功，但安培力卻可以做功．
可見安培力與洛倫茲力既有緊密相關(guān)、不可分割的必然聯(lián)系，也有顯著的區(qū)別．
2．洛倫茲力與電場力的比較
洛倫茲力
電場力
性質(zhì)
洛倫茲力是磁場對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力
電場力是電場對(duì)電荷的作用力
產(chǎn)生
條件
磁場中靜止電荷、沿磁場方向運(yùn)動(dòng)的電荷不受洛倫茲力
電場中的電荷無論靜止、還是沿任何方向運(yùn)動(dòng)都要受到電場力
方向
7、
(1)方向由電荷的正負(fù)、磁場的方向以及電荷的運(yùn)動(dòng)方向決定，方向之間的關(guān)系遵循左手定則
(2)洛倫茲力方向一定垂直于磁場方向以及電荷運(yùn)動(dòng)方向(電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向不一定垂直)
(1)方向由電荷的正負(fù)、電場的方向決定
(2)正電荷受力方向與電場方向一致，負(fù)電荷受力方向與電場方向相反
大小
F＝qvB(v⊥B)
F＝qE
作用
效果
洛倫茲力只改變電荷運(yùn)動(dòng)速度的方向，不能改變速度的大小
電場力既可以改變電荷運(yùn)動(dòng)的速度方向又可以改變電荷運(yùn)動(dòng)速度的大小
做功
情況
洛倫茲力一定不做功
電場力可以不做功，也可以做功
3．洛倫茲力在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用
（1）速度選擇器
①
8、原理：帶電粒子不偏轉(zhuǎn)時(shí)qvB=qE，有v=E/B。
②特點(diǎn)a．速度選擇器只選擇速度(大小、方向)而不選擇粒子的質(zhì)量和電荷量．如上圖中若從右側(cè)入射則不能穿出場區(qū)．
b．速度選擇器B、E、v三個(gè)物理量的大小、方向互相約束，以保證粒子受到的電場力和洛倫茲力等大、反向．如圖中只改變磁場B的方向，粒子將向下偏轉(zhuǎn)．
(2)磁流體發(fā)電機(jī)
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)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：將一束等離子體(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)噴射入磁場，磁場中有兩塊金屬板A、B，則高速射入的離子在洛倫茲
9、力的作用下向A、B兩板聚集，使兩板間產(chǎn)生電勢差，若平行金屬板間距為d，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，等離子體流速為v，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R，則兩板間最大電壓和可能達(dá)到的最大電流為多少？
【典例剖析】
例1、以下說法中，正確的是( )
A．電荷處于磁場中一定受到洛倫茲力 B．運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中一定受到洛倫茲力
C．洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷一定不做功 D．洛倫茲力可改變運(yùn)動(dòng)電荷的速度
【跟蹤發(fā)散】一初速度為零的質(zhì)子(質(zhì)量m＝1.67×10－27 kg，電荷量q＝1.6×10－19 C)，經(jīng)過電壓為1 880 V的電場加速后，垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)
10、度為5.0×10－4 T的勻強(qiáng)磁場中，質(zhì)子所受洛倫茲力多大？
例2、如圖所示，擺球帶負(fù)電的單擺，在一勻強(qiáng)磁場中擺動(dòng)，勻強(qiáng)磁場的方向垂直紙面向里，擺球在A、B間擺動(dòng)過程中，由A擺到最低點(diǎn)C時(shí)，擺線拉力大小為F1，擺球加速度大小為a1；由B擺到最低點(diǎn)C時(shí)，擺線拉力的大小為F2，擺球加速度大小為a2，則( )
A．F1＞F2，a1＝a2 B．F1＜F2，a1＝a2 C．F1＞F2，a1＞a2 D．F1＜F2，a1＜a2
【跟蹤發(fā)散】質(zhì)量為0.1 g的小物塊，帶有5×10－4C的電荷量，放在傾角為30°的絕緣光滑斜面上，整個(gè)斜面置于0.5 T的勻強(qiáng)磁場中，磁場方向如圖所示，物塊由
11、靜止開始下滑，滑到某一位置時(shí)，物塊開始離開斜面(設(shè)斜面足夠長，g＝10 m/s2)問：(1)物塊帶電性質(zhì)？(2)物塊離開斜面時(shí)的速度為多少？(3)物塊在斜面上滑行的最大距離是多少？
例3、如右圖所示，質(zhì)量為m的帶正電的小球能沿豎直的絕緣墻豎直下滑，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場方向水平，并與小球運(yùn)動(dòng)方向垂直．若小球電荷量為q，球與墻間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，則小球下滑的最大速度為_______，最大加速度為_______．
【跟蹤發(fā)散】一個(gè)帶正電的微粒(重力不計(jì))穿過如右圖所示的勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場區(qū)域時(shí)，恰能沿直線運(yùn)動(dòng)，則欲使電荷向下偏轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)采用的辦法是( )
A．增大電荷質(zhì)量 B．
12、增大電荷電荷量
C．減小入射速度 D．增大磁感應(yīng)強(qiáng)度
【鞏固拓展訓(xùn)練】
1．如圖所示是磁感應(yīng)強(qiáng)度B、正電荷速度v和磁場對(duì)電荷的作用力F三者方向的相互關(guān)系圖(其中B垂直于F與v決定的平面，B、F、v兩兩垂直)．其中正確的是( )
2．下列說法中正確的是( )
A．運(yùn)動(dòng)電荷在磁感應(yīng)強(qiáng)度不為零的地方，一定受到洛倫茲力的作用
B．運(yùn)動(dòng)電荷在某處不受洛倫茲力作用，則該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度一定為零
C．洛倫茲力既不能改變帶電粒子的動(dòng)能，也不能改變帶電粒子的速度
D．洛倫茲力對(duì)帶電粒子不做功
3．如上圖所示，在真空中，水平導(dǎo)線中有恒定電流I通過，導(dǎo)線的正下方有一質(zhì)子初速度方向與電流方向
13、相同，則質(zhì)子可能的運(yùn)動(dòng)情況是( )
A．沿路徑a運(yùn)動(dòng) B．沿路徑b運(yùn)動(dòng) C．沿路徑c運(yùn)動(dòng) D．沿路徑d運(yùn)動(dòng)
4．如圖所示是電視機(jī)顯像管及其偏轉(zhuǎn)線圈的示意圖．電流方向如圖所示，試判斷正對(duì)讀者而來的電子束將向哪邊偏轉(zhuǎn)( )
A．向上 B．向下 C．向左 D．向右
5．如右圖為一“濾速器”裝置的示意圖．a(chǎn)、b為水平放置的平行金屬板，一束具有各種不同速率的電子沿水平方向經(jīng)小孔O進(jìn)入a、b兩板之間．為了選取具有某種特定速率的電子，可在a、b間加上電壓，并沿垂直于紙面的方向加一勻強(qiáng)磁場，使所選電子仍能夠沿水平直線OO′運(yùn)動(dòng)，由O′射出．不計(jì)重力作用．可能達(dá)
14、到上述目的的辦法是( )
A．使a板電勢高于b板，磁場方向垂直紙面向里
B．使a板電勢低于b板，磁場方向垂直紙面向里
C．使a板電勢高于b板，磁場方向垂直紙面向外
D．使a板電勢低于b板，磁場方向垂直紙面向外
6．帶電油滴以水平速度v0垂直進(jìn)入磁場，恰做勻速直線運(yùn)動(dòng)，如右圖所示，若油滴質(zhì)量為m，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則下述說法正確的是( )
A．油滴必帶正電荷，電荷量為2mg/v0B B．油滴必帶負(fù)電荷，比荷q/m＝g/v0B
C．油滴必帶正電荷，電荷量為mg/v0B D．油滴帶什么電荷都可以，只要滿足q＝mg/v0B
7.如右圖所示，表面
15、粗糙的斜面固定于地面上，并處于方向垂直紙面向外、強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中．質(zhì)量為m、帶電荷量為＋Q的小滑塊從斜面頂端由靜止下滑．在滑塊下滑的過程中，下列判斷正確的是( )
A．滑塊受到的摩擦力不變 B．滑塊到達(dá)地面時(shí)的動(dòng)能與B的大小無關(guān)
C．滑塊受到的洛倫茲力方向垂直斜面向下D．B很大時(shí)，滑塊可能靜止于斜面上
8．如右圖所示為一速度選擇器，也稱為濾速器的原理圖．K為電子槍，由槍中沿KA方向射出的電子，速度大小不一．當(dāng)電子通過方向互相垂直的均勻電場和磁場后，只有一定速率的電子能沿直線前進(jìn)，并通過小孔S.設(shè)產(chǎn)生勻強(qiáng)電場的平行板間的電壓為300 V，間距為5 cm，垂直紙面的勻強(qiáng)磁場的磁感
16、應(yīng)強(qiáng)度為0.06 T，問：(1)磁場的方向應(yīng)該垂直紙面向里還是垂直紙面向外？(2)速度為多大的電子才能通過小孔S?
9．在相互垂直的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場中，有一傾角為θ、足夠長的光滑絕緣斜面，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向垂直紙面向外，電場方向豎直向上．有一質(zhì)量為m、帶電荷量為＋q的小球靜止在斜面頂端，這時(shí)小球?qū)π泵娴恼龎毫η『脼榱悖缦聢D所示，若迅速把電場方向反轉(zhuǎn)為豎直向下，小球能在斜面上連續(xù)滑行多遠(yuǎn)？所用時(shí)間是多少？
10．如圖所示，質(zhì)量為m＝1 kg，電荷量為q＝5×10－2 C的帶正電的小滑塊，從半徑為R＝0.4 m的光滑絕緣圓孤軌道上由靜止自A端滑下．整個(gè)裝置處在方向互相垂直的勻強(qiáng)電場與勻強(qiáng)磁場中．已知E＝100 V/m，水平向右；B＝1 T，方向垂直紙面向里．求：(1)滑塊到達(dá)C點(diǎn)時(shí)的速度；(2)在C點(diǎn)時(shí)滑塊對(duì)軌道的壓力．(g＝10 m/s2)
2022年高中物理選修新課標(biāo)人教版選修3-1第三章3 5 運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中受到的力 學(xué)案
