2018-2019高中物理 第三章 磁場 3.5 運動電荷在磁場中受到的力課件 新人教版選修3-1.ppt

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1、5 運動電荷在磁場中受到的力,一、洛倫茲力的方向和大小 1.洛倫茲力： (1)定義：_________在磁場中所受的力。 (2)與安培力的關系：通電導線在磁場中所受的安培力 是_________的宏觀表現(xiàn)。,運動電荷,洛倫茲力,2.洛倫茲力的方向： (1)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平面內。讓_______從掌心進 入，并使_____指向正電荷運動方向，這時_____所指 的方向就是運動的電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向。,磁感線,四指,拇指,(2)特點。 ①洛倫茲力F⊥B，F(xiàn)⊥v，即F垂直于_____所決定的平 面。 ②洛倫茲力只改變帶電粒子的運動方向，不

2、改變速度 大小，對電荷_______(選填“做功”或“不做功”)。,B與v,不做功,3.洛倫茲力的大?。?(1)當v與B成θ角時： F=_________。 (2)當v⊥B時： F=____。 (3)當v∥B時： F=__。,qvBsinθ,qvB,0,二、電視顯像管的工作原理 1.原理： (1)電子槍_________。 (2)電子束在磁場中_____。 (3)熒光屏被電子束撞擊發(fā)光。,發(fā)射電子,偏轉,2.掃描：在偏轉區(qū)的水平方向和豎直方向都有偏轉磁 場，其方向、強弱都在_________，使得電子束打在 熒光屏上的光點從上向下、從左向右不斷移動。,不斷變化,【思考辨析】 (1)電荷在磁場中

3、一定受到洛倫茲力的作用。 ( ) (2)僅在洛倫茲力作用下，電荷的動能一定不會變化。 ( ) (3)用左手定則判斷洛倫茲力方向時，“四指的指向”與電荷定向運動方向相同。 ( ),(4)電視顯像管是靠磁場使電子束發(fā)生偏轉的。 ( ) (5)電子束帶負電，在顯像管偏轉磁場中的偏轉方向與磁場方向相反。 ( ) (6)在顯像管中，偏轉區(qū)豎直方向的偏轉磁場使電子束發(fā)生水平方向的移動。 ( ),提示：(1)。電荷在磁場中靜止或沿著磁場方向運動時，電荷不會受到洛倫茲力作用。 (2)√。由于洛倫茲力方向與電荷運動方向垂直，洛倫茲力不做功，所以僅在洛倫茲力作用下，電荷的動能一定不會變化。 (3)。根據(jù)左手定則，

4、四指所指的方向為正電荷運動的方向或負電荷運動的反方向。,(4)√。電視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。 (5)。電子束在磁場中的偏轉方向與磁場方向垂直。 (6)√。洛倫茲力的方向與磁場的方向垂直，磁場是豎直方向，故電子束在水平方向偏轉。,【生活鏈接】 1.從宇宙深處射來的帶電粒子為什么只在地球的兩極 引起極光？ 提示：極光是高空稀薄大氣層中帶電的微粒所致，在 帶電微粒流的作用下，各種不同的氣體所發(fā)出的光也 不相同，因此就出現(xiàn)了各種不同形狀和顏色的極光，,,美麗又壯觀。地球有磁場，從宇宙深處射來的帶電粒子高速進入地球大氣層后，在地磁場中運動要受洛倫茲力的作用，這些帶電粒子螺旋運

5、動到地球的南北兩極與大氣中的分子碰撞，就形成了極光，所以極光總是在南北兩極出現(xiàn)。,,2.顯像管工作時，電子束是依次掃描熒光屏上各點，可為什么我們察覺不到熒光屏的閃爍？ 提示：這是由于眼睛的視覺暫留現(xiàn)象，當電子束掃描頻率達到人眼的臨界閃爍頻率時，由于視覺暫留的原因，人眼就感覺不到熒光屏的閃爍。,,知識點一 洛倫茲力的方向 探究導入： 如果在電子射線管上方平行于管軸放置一根載流導線，電流方向如圖所示。,(1)電子射線將朝什么方向偏轉？電流反向后情況如何？ (2)為什么禁止將磁鐵靠近正在播放節(jié)目的電視機？,,提示：(1)由安培定則可得導線產生的磁場在導線下方垂直紙面向里。再由左手定則可得電子射線向下

6、偏。電流反向后同理可得電子射線向上偏。 (2)因為電視顯像管應用了電子束磁偏轉的原理，所以當磁鐵靠近正在播放節(jié)目的電視機時磁鐵的磁場會影響電子的偏轉使圖象變形。,【歸納總結】 1.判斷方法——左手定則： (1)當電荷運動方向跟磁場方向垂直時：伸開左手，使大拇指和其余四指垂直且處于同一平面內，把手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，四指指向正電荷的運動方向或負電荷運動的反方向，大拇指所指的方向就是洛倫茲力的方向。,(2)當電荷運動方向跟磁場方向不垂直時：四指仍指向正電荷的運動方向或負電荷運動的反方向，磁感線仍然從掌心進入，但磁感線與手掌不垂直，洛倫茲力的方向仍垂直于電荷運動的方向，也垂直于磁場方

7、向。,2.決定因素： (1)電荷的電性(正、負)。 (2)速度方向。 (3)磁感應強度的方向。當電性一定時，其他兩個因素決定洛倫茲力的方向，如果只讓一個反向，則洛倫茲力必定反向；如果讓兩個同時反向，則洛倫茲力方向不變。,3.洛倫茲力不做功：由于洛倫茲力始終與電荷的運動方向垂直，故洛倫茲力一定不對電荷做功。,【易錯提醒】 應用左手定則的注意事項 (1)在用左手定則判斷運動的電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向時，對于正電荷，四指指向電荷的運動方向；但對于負電荷，四指應指向電荷運動的反方向。不要誤以為四指總是指向電荷的運動方向。,(2)電荷運動的方向v和B不一定垂直，但洛倫茲力一定垂直于磁感應強度和速度

8、方向。,【典題通關】 【典例】(2018日照高二檢測)帶電粒子(重力不計)穿過飽和蒸汽時，在它經(jīng)過的路徑上飽和蒸汽便凝成小液滴，從而顯示了粒子的徑跡，這是云室的原理，如圖所示是云室中拍攝的照片，云室中加了垂直于照片向外的勻強磁場①，圖中Oa、Ob、Oc、Od是從O點發(fā)出的四種粒子的徑跡②，下列說法中正 確的是 ( ),A.四種粒子都帶正電 B.四種粒子都帶負電 C.打到a、b點的粒子帶正電 D.打到c、d點的粒子帶正電,【審題關鍵】,【正確解答】選D。由左手定則知打到a、b點的粒子帶負電，打到c、d點的粒子帶正電，D正確。,【過關訓練】 1.(多選)如圖為顯像管原理示意圖，電子束經(jīng)電子槍加速

9、后，進入偏轉磁場偏轉，不加磁場時，電子束打在熒光屏正中的O點。若要使電子束打在熒光屏上位置由O逐漸向A移動，則 ( ),A.在偏轉過程中，洛倫茲力對電子束做正功 B.在偏轉過程中，電子束做勻加速曲線運動 C.偏轉磁場的磁感應強度應逐漸變大 D.偏轉磁場的方向應垂直于紙面向外,【解析】選C、D。在偏轉過程中，洛倫茲力不做功，A錯誤；在偏轉過程中，加速度的方向要指向圓心，即加速度方向時刻改變，故電子束做變加速曲線運動，B錯誤；電子束打在熒光屏上的OA之間，即電子受向上偏左的洛倫茲力，由左手定則可知磁場強度垂直紙面向外，電子束打在熒光屏上的位置由中心O逐漸向A點移動，電子偏轉角度越來越大，由f=qv

10、B知，B逐漸變大，故C、D正確。,2.長方體金屬塊放在勻強磁場中，有電流通過金屬塊，如圖所示，則下面說法正確的是 ( ),A.金屬塊上下表面電勢相等 B.金屬塊上表面電勢高于下表面電勢 C.金屬塊上表面電勢低于下表面電勢 D.無法比較兩表面的電勢高低,,【解析】選C。由左手定則知自由電子所受洛倫茲力方向向上，即自由電子向上偏，所以上表面電勢比下表面電勢低。C正確。,【補償訓練】 1.(多選)帶電粒子垂直勻強磁場方向運動時，會受到洛倫茲力的作用。下列表述正確的是 ( ) A.洛倫茲力對帶電粒子做功 B.洛倫茲力改變帶電粒子的動能 C.洛倫茲力不改變帶電粒子的速度大小 D.洛倫茲力改變帶電粒子的速

11、度方向,【解析】選C、D。洛倫茲力的方向始終與帶電粒子的運動方向垂直，始終不做功，所以洛倫茲力不改變粒子的動能，即不改變粒子的速度大小，但洛倫茲力改變粒子的速度方向，綜上所述，選項C、D正確。,2.如圖所示，將一陰極射線管置于一通電螺線管的正上方且在同一水平面內，則陰極射線將 ( ) A.向外偏轉 B.向里偏轉 C.向上偏轉 D.向下偏轉,【解析】選A。由安培定則可知通電螺線管在陰極射線管處磁場方向豎直向下，陰極射線帶負電，結合左手定則可知其所受洛倫茲力垂直于紙面向外。,知識點二 洛倫茲力的大小 探究導入： 如圖所示，電荷q以速度v進入勻強磁場中， 當它的速度方向與磁場方向的夾角為θ時：

12、 (1)電荷所受的洛倫茲力多大？是qvB嗎？ (2)若不是，洛倫茲力應該多大？怎樣求得的？,提示：(1)由于此時電荷的運動方向與磁場的方向不垂直，故電荷的洛倫茲力大小不是qvB。 (2)將電荷的速度向平行和垂直磁場方向分解為v1和v2，如圖所示。由于沿磁場方向的速度v1不產生洛倫茲力，故電荷的洛倫茲力就等于沿垂直于磁場方向的v2產生的洛倫茲力qv2B=qvBsinθ。,【歸納總結】 1.推導洛倫茲力公式：設有一段長為L，橫截面積為S的直導線，單位體積內的自由電荷數(shù)為n，每個自由電荷的電荷量為q，自由電荷定向移動的速率為v。這段通電導線垂直磁場方向放入磁感應強度為B的勻強磁場中。,(1)根據(jù)電流

13、的定義式可知通電導線中的電流I= =nqSv。 (2)通電導線所受的安培力F安=BIL=B (nqSv)L。 (3)這段導線內的自由電荷數(shù)N=nSL。 (4)每個電荷所受的洛倫茲力F洛= =qvB。,2.對公式的理解： (1)適用條件：運動電荷的速度方向與磁場方向垂直，當v=0時，F(xiàn)洛=0，即相對磁場靜止的電荷不受洛倫茲力作用。,(2)B、v夾角對洛倫茲力的影響。 ①當θ=90時，v⊥B，sin θ=1，F(xiàn)洛=qvB，即運動方向與磁場垂直時，洛倫茲力最大。 ②當v∥B時，θ=0，sin θ=0，F(xiàn)洛=0，即運動方向與磁場平行時，不受洛倫茲力。 ③若不垂直，F(xiàn)洛=qvBsin θ。,3.洛倫

14、茲力與安培力的區(qū)別和聯(lián)系： (1)區(qū)別。 ①洛倫茲力是指單個運動的帶電粒子所受到的磁場力，而安培力是指通電直導線所受到的磁場力。 ②洛倫茲力恒不做功，而安培力可以做功。,(2)聯(lián)系。 ①安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，洛倫茲力是安培力的微觀解釋。 ②大小關系：F安=NF洛(N是導體中定向運動的電荷數(shù))。 ③方向關系：洛倫茲力與安培力的方向一致，均可用左手定則進行判斷。,,4.洛倫茲力與電場力的比較：,【易錯提醒】 (1)運動電荷不受洛倫茲力作用的位置，磁感應強度不一定為零，但電荷不受電場力作用的位置，電場強度一定為零。 (2)洛倫茲力在勻強磁場中一般是變力，而電場力在勻強電場中是恒力。,【典題通關

15、】 【典例】如圖所示，運動電荷電荷量為q=210-8 C，電性已在圖中標明，運動速度v=4105 m/s，勻強磁場磁感應強度為B=0.5 T，則三個電荷受到的洛倫茲力分別為多大？,【正確解答】對于A、B，雖電荷電性不同，速度方向也不同，但速度方向與磁感應強度方向都垂直，據(jù)F=qvB得 F=210-841050.5 N=410-3 N。 對C，v沿垂直于B方向的分量為v′=vcos30,所受洛倫茲力大小則為 F=qv′B=210-84105cos300.5 N =3.510-3 N。 答案：410-3 N 410-3 N 3.510-3N,【過關訓練】 在下列各圖中，勻強磁場的磁感應強度均為B

16、，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，并指出洛倫茲力的方向。,【解析】(1)因為v⊥B，所以F=qvB，方向與v垂直斜 向左上方。 (2)v與B的夾角為30，將v分解成垂直磁場的分量和 平行磁場的分量，v⊥=vsin 30，F(xiàn)=qvBsin 30= qvB，方向垂直紙面向里。 (3)由于v與B平行，所以不受洛倫茲力。 (4)v與B垂直，F(xiàn)=qvB，方向與v垂直斜向左上方。,答案：(1)qvB 垂直v斜向左上方 (2) qvB 垂直紙面向里 (3)不受洛倫茲力 (4)qvB 垂直v斜向左上方,【補償訓練】 1. 如圖所示，空間存在相互垂直的勻強電場和勻強

17、磁場，電場的方向豎直向下，磁場方向垂直紙面向 里，一帶電油滴P恰好處于靜止狀態(tài)，則下列說法正 確的是 ( ),A.若撤去磁場，P可能做勻加速直線運動 B.若撤去電場，P一定做勻加速直線運動 C.若給P一初速度，P可能做勻速直線運動 D.若給P一初速度，P一定做曲線運動,【解析】選C。若撤去磁場，油滴在重力和電場力作用下仍處于平衡狀態(tài)，故A錯；若撤去電場，P在重力作用下豎直向下加速，同時P又受到洛倫茲力作用，而洛倫茲力垂直速度方向，故P做曲線運動，B錯；若所給初速度方向與磁場方向平行，油滴只受重力和電場力作用處于平衡狀態(tài)，做勻速直線運動，否則做曲線運動，故C對，D錯。,2.兩個完全相同的帶等量正

18、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，如圖所示，然后再落到地面上，設兩球運動所用的總時間分別為ta、tb，則 ( ) A.ta=tb B.ta>tb C.ta

19、向也發(fā)生變化，不再沿水平方向。如圖所示為小球在磁場中某一位置時的受力圖，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t。綜上所述，ta

20、錯誤，B正確；安培力實際上是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，它可以對通電導體做功，但洛倫茲力不能對運動電荷做功，D正確。,4.關于電荷所受電場力和洛倫茲力的說法中，正確的是 ( ) A.電荷在磁場中一定受洛倫茲力作用 B.電荷在電場中一定受電場力作用 C.電荷所受電場力方向一定與該處電場方向一致 D.電荷所受的洛倫茲力不一定與磁場方向垂直,【解析】選B。只有運動電荷在磁場中的運動方向與磁 場不平行時，帶電粒子才受到洛倫茲力作用，若電荷 靜止或者電荷的運動方向與磁場平行時，都不受洛倫 茲力作用，A錯誤；電荷在電場中一定受到電場力作 用，B正確；正電荷受到的電場力方向與該處電場方 向一致，負電荷受到的電場力方

21、向與該處電場方向相,反，C錯誤；電荷所受的洛倫茲力方向一定與磁場方 向垂直，也與速度方向垂直，但B與v不一定垂直，D錯誤。,知識點三 帶電體在洛倫茲力作用下的運動 探究導入： 如圖所示，帶電小球平行于電場，在正交 的勻強電場(未畫出)和勻強磁場中做直線 運動。 (1)小球做變速運動還是勻速運動？為什么？ (2)小球受幾個力作用？它們之間存在什么關系？,提示：(1)小球的重力、電場力的合力恒定，由于小球做直線運動，此合力沿垂直速度方向的分量也恒定，且與洛倫茲力大小相等，方向相反。若小球速度大小變化，則洛倫茲力F大小變化，則重力、電場力的合力沿垂直速度方向的分量不能再與洛倫茲力抵消，小球會做曲線運

22、動，這與它的運動情況矛盾。故小球做勻速直線運動。,(2)小球受重力、電場力和洛倫茲力三個力。由于小球做勻速運動，三個力均為恒力，且合力為零。任一個力與另外兩個力的合力大小相等，方向相反。,【歸納總結】 1.帶電粒子在勻強磁場中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.速度選擇器： (1)如圖所示，帶電粒子所受重力可忽略不計，粒子在兩板間同時受到電場力和洛倫茲力，只有當二力平衡時，粒子才不發(fā)生偏

23、轉，沿直線從兩板間穿過。,(2)粒子受力特點。 ①不計重力。 ②同時受方向相反的電場力和磁場力作用。 (3)粒子勻速通過速度選擇器的條件：速度選擇器兩極 板間距離極小，粒子稍有偏轉，即打到極板上。只有 電場力和洛倫茲力平衡時，即qE=qvB，v= 時，粒子 才能沿直線勻速通過。,(4)速度選擇器的特點。 ①速度選擇器對正、負電荷均適用。 ②速度選擇器中的E、B的大小和方向都具有確定的關系，改變其中任意一項，所選速度都會發(fā)生變化。,③通過速度選擇器的粒子的速度大小和方向都是確定的，如果圖中粒子從右側進入會受到相同方向的電場力和洛倫茲力而打到板上。所以速度選擇器選擇的是速度而不是速率。 ④從功的角

24、度看，由于帶電粒子的運動方向與電場力及磁場力方向垂直，故電場力、磁場力都對運動粒子不做功。,磁流體發(fā)電機 B板是發(fā)電機正極，兩極板間能達到的最大電勢差U=Bdv。,【典題通關】 【典例】質量為0.1 g的小物塊，帶有510-4 C的電荷量，放在傾角為30的絕緣光滑斜面上，整個斜面置于0.5 T的勻強磁場中，磁場方向如圖所示，物塊由靜止開始下滑，滑到某一位置時，物塊開始離開斜面(設斜面足夠長，g取10 m/s2)問：,(1)物塊帶電性質如何？ (2)物塊離開斜面時的速度為多少？ (3)物塊在斜面上滑行的最大距離是多少？,【正確解答】(1)由左手定則可知，物塊帶負電荷。 (2)當物塊離開斜面時，

25、物塊對斜面壓力為0，受力如圖所示， 則qvB-mgcos30=0，解得v=3.46 m/s。,(3)由動能定理得：mgsin30L= mv2，解得物塊 在斜面上滑行的最大距離L=1.2 m。 答案：(1)負電 (2)3.46 m/s (3)1.2 m,【規(guī)律方法】解決在洛倫茲力作用下帶電體運動問題的基本思路 (1)正確的受力分析，除重力、彈力、摩擦力外，要特別注意洛倫茲力的分析。 (2)正確分析物體的運動狀態(tài)，找出物體的速度、位置及其變化特點，分析運動過程。 (3)恰當靈活地運用力學中的定理、定律。學會把“電學”問題“力學”化。,【過關訓練】 1.一個帶正電荷的粒子(重力不計)，穿過圖中相互垂

26、直的勻強電場和勻強磁場區(qū)域時，恰能沿直線運動，則欲使粒子向上偏轉應采用的辦法是 ( ),A.增大磁感應強度 B.增大粒子質量 C.減小粒子的入射速度 D.增大電場強度,【解析】選A。開始時粒子恰能做直線運動，電場力向下，洛倫茲力向上，合力為零，故qE=qvB；增大磁感應強度，則向上的洛倫茲力增大，合力向上，向上偏轉，故A正確；增加質量，則電場力與洛倫茲力都不變，合力為0，做直線運動，故B錯誤；減小入射速度，則洛倫茲力減小，電場力不變，合力向下，向下偏轉，故C錯誤；增大電場強度，則電場力增大，洛倫茲力不變，合力向下，向下偏轉，故D錯誤。,2.質量為m，帶電荷量為q的微粒，以速度v與水平方向成45

27、角進入勻強電場和勻強磁場同時存在的空間，如圖所示，微粒在電場、磁場、重力場的共同作用下做勻速直線運動，求： (1)電場強度的大小，該帶電粒子帶何種電荷。 (2)磁感應強度的大小。,【解析】(1)微粒做勻速直線運動，所受合力為零。 可知，帶電粒子帶正電荷。分析微粒的受力情況， 如圖所示 qE=mg，則電場強度E=,(2)由于微粒所受合力為零，則 qvB= mg，所以 B= 答案：(1) 正電荷 (2),【補償訓練】 1.如圖所示，一束電子流沿管的軸 線進入螺線管，忽略重力，電子在 管內的運動應該是 ( ) A.當從a端通入電流時，電子做勻加速直線運動 B.當從b端通入電流時，電子做勻加速直線

28、運動 C.不管從哪端通入電流，電子都做勻速直線運動 D.不管從哪端通入電流，電子都做勻速圓周運動,【解析】選C。通電螺線管產生的磁場在通電螺線管內部磁感線的方向與螺線管的軸線平行，所以電子沿軸線進入螺線管不受洛倫茲力作用，故選項C正確。,2.(多選)如圖所示，勻強磁場的方向豎直向下，磁場中有光滑的水平桌面，在桌面上平放著內壁光滑、底部有帶電小球的試管。在水平拉力F的作用下，試管向右勻速運動，帶電小球能從試管口處飛出，則 ( ),A.小球帶負電 B.小球運動的軌跡是一條拋物線 C.洛倫茲力對小球做正功 D.維持試管勻速運動的拉力F應逐漸增大,【解析】選B、D。由左手定則可判斷小球帶正電，A錯誤；

29、洛倫茲力與速度方向總是垂直，洛倫茲力對小球不做正功，C錯誤；洛倫茲力在F反方向上的分量逐漸增大，故維持試管勻速運動的拉力F應逐漸增大，D正確；沿試管方向洛倫茲力的分量不變，小球沿試管勻加速運動，小球向右勻速運動的同時沿試管勻加速運動，軌跡為拋物線，B也正確。故該題正確答案為B、D。,【拓展例題】考查內容 洛倫茲力作用下物體運動過程分析 【典例】(多選) 如圖所示，一個帶負電的滑環(huán)套在水平且足夠長的粗糙的絕緣桿上，整個裝置處于方向如圖所示的勻強磁場B中?，F(xiàn)給滑環(huán)施以一個水平向右的瞬時速度，使其由靜止開始運動，則滑環(huán)在桿上的運動情況可能是 ( ),A.始終做勻速運動 B.先做減速運動，最后靜止于桿上 C.先做加速運動，最后做勻速運動 D.先做減速運動，最后做勻速運動,【正確解答】選A、B、D。帶電滑環(huán)向右運動時所受洛倫茲力方向向上，其大小與滑環(huán)初速度大小有關。由于滑環(huán)初速度的大小未具體給出，因而洛倫茲力與滑環(huán)重力可出現(xiàn)三種不同的關系： (1)當開始時洛倫茲力等于重力，滑環(huán)做勻速運動，A正確。,(2)當開始時洛倫茲力小于重力，滑環(huán)將做減速運動，最后停在桿上，B正確。 (3)當開始時洛倫茲力大于重力，滑環(huán)所受的洛倫茲力隨速度減小而減小，滑環(huán)與桿之間的擠壓力將逐漸減小，因而滑環(huán)所受的摩擦力減小，當擠壓力為零時，摩擦力為零，滑環(huán)做勻速運動，C錯誤，D正確。,