高中物理 第3章 磁場 第5節(jié) 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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第5節(jié) 運動電荷在磁場中受到的力,,(教師參考) 一、教學目標 知識與技能 1.知道通電導線受到的安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn) 2.知道判斷洛倫茲力方向的方法,理解洛倫茲力對帶電粒子不做功 3.會推導洛倫茲力的公式F=qvB,并掌握該公式的適用條件 4.了解電視顯像管的工作原理 過程與方法 由磁場對電流的作用聯(lián)想磁場對運動電荷的作用,進而能導出洛倫茲力大小的計算公式,并會利用此公式計算相關問題,通過洛倫茲力大小的推導過程進一步培養(yǎng)學生的分析推理能力 情感態(tài)度與價值觀 讓學生認真體會科學研究最基本的思維方法:“推理—假設—實驗驗證”,,二、教學重點難點 教學重點 利用左手定則判斷洛倫茲力的方向,帶電粒子垂直進入磁場時的洛倫茲力大小的計算 教學難點 電視顯像管的工作原理 三、重難點突破方略 洛倫茲力表達式的突破方略 【情境設置】 設有一段長度為L的通電導線,橫截面積為S,導線每單位體積中含有的自由電荷數(shù)為n,每個自由電荷的電荷量為q,定向移動的平均速率為v,將這段導線垂直于磁場方向放入磁感應強度為B的勻強磁場中.,,【問題1】 這段導線中電流I的微觀表達式是怎樣的? 學生:電流的微觀表達式為I=nqSv. 【問題2】 這段導體所受的安培力為多大? 學生:F安=ILB 【問題3】 這段導體中含有多少自由電荷? 學生:這段導體中含有的電荷數(shù)為nLS. 【問題4】 每個自由電荷所受的洛倫茲力大小為多大?,自主學習,課堂探究,達標測評,自主學習 課前預習感悟新知,,(教師參考) 情境鏈接一 美麗的極光 地球周圍籠罩著磁場,太陽風向著赤道直射地球,卻被這層磁場擋住,結果約有1%的太陽風進入南磁極(或北磁極)附近的大氣層.兩極的高層大氣,受到太陽風的轟擊后會發(fā)出光芒,形成美麗的極光.,,1.太陽風是帶電粒子嗎?是什么力擋住了射向地球的太陽風? 2.直射向赤道的太陽風與地球的磁場的夾角約為多少度?射向南北兩極的太陽風與地球的磁場的夾角約為多少度? 3太陽風在赤道上空受到的磁場作用力大,還是在南北兩極受到的大? 信息 1.太陽風是帶電粒子,進入地磁場要受到洛倫茲力的作用,洛倫茲力使太陽風偏離原來的路徑. 2.直射向赤道的太陽風與地球的磁場的夾角幾乎達到了90度,而射向南北兩極的太陽風與地球的磁場的夾角約為0度. 3.太陽風在赤道上空受到的磁場作用力大.,,情境鏈接二 1895年洛倫茲描述了電磁場中帶電粒子所受的力,現(xiàn)在稱為洛倫茲力.后來他把已被發(fā)現(xiàn)構成陰極射線的帶負電的粒子確認為他的理論中的負電子.洛倫茲由于研究磁場對輻射的影響而獲得1902年的諾貝爾物理學獎.目前,家家戶戶都有了電視機.不能將磁體靠近正在播放節(jié)目的電視機,你知道這是為什么嗎?,信息 帶電粒子在磁場中運動要受到洛倫茲力,洛倫茲力的方向與帶電粒子運動方向垂直,從而使帶電粒子偏離原來的運動方向.,教材梳理,一、洛倫茲力的方向和大小 閱讀教材第95～96頁“洛倫茲力的方向和大小”部分,初步了解左手定則,知道速度方向與磁感應強度方向垂直時洛倫茲力大小的表達式. 1.洛倫茲力 (1)定義: 在磁場中受到的力. (2)與安培力的關系:通電導線在磁場中所受的安培力是洛倫茲力的 . 2.洛倫茲力的方向 (1)判斷方法:左手定則. (2)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 內;讓磁感線從掌心進入,并使四指指向 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洛倫茲力的方向.負電荷受力的方向與正電荷受力的方向 . (3)方向特點:F⊥B,F⊥v,即F垂直于 所決定的平面.,運動電荷,宏觀表現(xiàn),平面,正電荷,拇指,相反,B和v,3.洛倫茲力的大小 (1)當v⊥B時,F= . (2)當v∥B時,F= . (3)當v與B成θ角時,F= .,qvB,0,qvBsin θ,想一想 根據(jù)洛倫茲力的方向與帶電粒子運動方向的關系,請你推測:洛倫茲力對帶電粒子運動的速度有什么影響?洛倫茲力對帶電粒子做的功是多少?,答案:洛倫茲力總是垂直于帶電粒子的運動方向,只改變速度的方向,不改變速度的大小,因此洛倫茲力對帶電粒子不做功.,二、電視顯像管的工作原理 閱讀教材第97～98頁“電視顯像管工作原理”部分,初步了解其工作原理. 1.原理:電視顯像管應用了電子束 的道理. 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按照一定規(guī)律不斷移動.,磁偏轉,想一想 顯像管工作時,電子束是依次掃描熒光屏上各點,但是我們?yōu)槭裁从X察不到熒光屏的閃爍?,答案:人的視覺暫留時間為0.1 s,而電子束每隔0.02 s在熒光屏上掃描一次,所以我們覺察不到熒光屏的閃爍.,不斷變化,自主檢測,,答案:(1)√ (2) (3) (4)√,1.思考判斷 (1)洛倫茲力始終與帶電粒子的運動方向垂直,故洛倫茲力永遠不做功.( ) (2)安培力和洛倫茲力都是效果力,其實并不存在,原因是不遵守牛頓第三定律.( ) (3)當帶電粒子的運動方向和磁場方向相同時,洛倫茲力最大.( ) (4)帶電粒子在勻強磁場中受到的洛倫茲力一般是變力,而在勻強電場中受到的靜電力一定是恒力.( ),2.關于帶電粒子所受洛倫茲力F、磁感應強度B和粒子速度v三者方向之間的關系,下列說法正確的是( ) A.F,B,v三者一定垂直 B.F必定垂直于B,v,但B不一定垂直于v C.B必定垂直于F,但F不一定垂直于v D.v必定垂直于F,B,但F不一定垂直于B,,解析:由左手定則可知,洛倫茲力F的方向一定垂直于B,v所決定的平面,即F一定與B,v方向垂直,但B,v兩者不一定垂直,故選項B正確.,B,3.(多選)關于安培力和洛倫茲力,下面說法中正確的是( ) A.洛倫茲力和安培力是性質完全不同的兩種力 B.安培力和洛倫茲力,其本質都是磁場對運動電荷的作用力 C.安培力和洛倫茲力二者是等價的 D.安培力對通電導體能做功,但洛倫茲力對運動電荷不能做功,,解析:安培力和洛倫茲力實質上都是磁場對運動電荷的作用力,但二者不是等價的,安培力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.故選項B,D正確.,BD,4.圖中帶電粒子所受洛倫茲力的方向向上的是( ),,解析:A圖中帶電粒子受力方向向上,B圖中帶電粒子受力方向向外,C圖中帶電粒子受力方向向左,D圖中帶電粒子受力方向向外,故選項A正確.,A,課堂探究 核心導學要點探究,要點一,洛倫茲力的理解,【問題導引】 帶電粒子在帶正電和負電兩種情況下,應用左手定則判斷洛倫茲力的方向時應注意什么? 答案:應用左手定則判斷洛倫茲力方向時,對于正電荷,四指應指向其運動方向;對于負電荷,四指應指向其運動方向的反方向.,(教師備用) 【要點歸納】 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.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 電荷運動方向和磁場方向間沒有因果關系,兩者關系是不確定的.電荷運動方向和磁場方向確定洛倫茲力方向,F⊥B,F⊥v,即F垂直于B和v所決定的平面. 3.洛倫茲力特點 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,故洛倫茲力永不做功,它只改變電荷運動的方向,不改變電荷運動的速度大小.,4.洛倫茲力與安培力的關系 (1)洛倫茲力是單個運動電荷在磁場中受到的力,而安培力是導體中所有定向移動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時受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn),但不能簡單地認為安培力就等于所有定向移動的電荷所受洛倫茲力的合力,只有當導體靜止時才能這樣認為. (3)洛倫茲力永不做功,但安培力卻可以做功.可見安培力與洛倫茲力既有聯(lián)系,也有區(qū)別.,【例1】 在下面各圖中,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,并指出洛倫茲力的方向.,,?思路探究?(1)某帶電粒子以速度v進入勻強磁場中所受洛倫茲力大小決定于哪些因素? 答案:決定于磁感應強度B和速度與磁感應強度的夾角. (2)公式F=qvBsin θ中的“θ”指的是什么角? 答案:“θ”為速度與磁感應強度二者間的夾角.,,(2)中v⊥B,所以F=qvB.由左手定則可知,負電荷所受洛倫茲力的方向垂直紙面向外. (3)中v⊥B,所以F=qvB,方向與v垂直向左上方. (4)中v⊥B,所以F=qvB.負電荷所受洛倫茲力的方向與v垂直向右.,(2) qvB,垂直紙面向外 (3)qvB,與v垂直向左上方 (4) qvB,與v垂直向右,規(guī)律方法 洛倫茲力與安培力的區(qū)別和聯(lián)系,,,,D,,,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,則兩粒子受洛倫茲力之比為( ) A.2∶1 B.1∶1 C.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,選項C正確.,C,要點二,洛倫茲力與靜電力的比較,【問題導引】 運動電荷在磁場中運動會受到洛倫茲力的作用,運動電荷在電場中運動又會受到靜電力作用,洛倫茲力和靜電力有哪些不同?,答案:(1)洛倫茲力F=qvB;只有運動電荷,且運動方向與磁場方向不平行時才受到洛倫茲力;洛倫茲力的方向總與速度方向垂直,用左手定則判斷. (2)靜電力F=qE,只要是電荷在電場中就要受到靜電力;力的方向與場強E方向共線(正電荷與E同向,負電荷與E反向). (3)運動電荷在勻強電場中所受靜電力一定為恒力,與運動情況無關;但運動電荷在勻強磁場中運動時,洛倫茲力一般為變力.,【要點歸納】,,?思路探究?(1)帶電粒子從a沿直線運動到b,粒子速度是否發(fā)生變化? 答案:速度方向不變,大小也不會發(fā)生變化. (2)粒子受到哪幾個力的作用?這幾個力之間具有什么樣的特點? 答案:粒子受到靜電力和洛倫茲力的作用,靜電力和洛倫茲力是一對平衡力,大小相等,方向相反.,BD,,規(guī)律方法 對速度選擇器的認識 (1)勻強電場和勻強磁場是正交的,帶電粒子以一定的速度垂直電、磁場的方向射入電、磁場中; (3)只選擇“速度”, 與帶電粒子的質量、電荷量、電性等皆無關.,,(教師備用) 變式:例2中若減小電場強度E、粒子仍以原來速度v從a點沿原方向射入極板間,粒子飛出極板時,其運動速度大小變化情況是( ) A.不變 B.一定變大 C.一定變小 D.因電性不確定無法判斷,,解析:當電場強度E減小時,帶電粒子所受靜電力變小,無論粒子帶何種電荷,洛倫茲力一定大于靜電力,靜電力做負功,粒子動能減小,則速度減小,選項C正確.,C,,例2-1:(多選)不計重力的負粒子能夠在如圖所示的正交勻強電場和勻強磁場中勻速直線穿過.設產生勻強電場的兩極板間電壓為U,距離為d,勻強磁場的磁感應強度為B,粒子帶電荷量為q,進入速度為v,以下說法正確的是( ) A.若同時增大U和B,其他條件不變,則粒子一定能夠直線穿過 B.若同時減小d和增大v,其他條件不變,則粒子可能直線穿過 C.若粒子向下偏,能夠飛出極板間,則粒子動能一定減小 D.若粒子向下偏,能夠飛出極板間,則粒子的動能有可能不變,,BC,,,A,針對訓練2:在例2的電、磁場情景下. (1)若質子以速度v從兩板的正中央垂直于電場方向和磁場方向從左向右射入時,質子將 . (2)若電子以速度v從兩板的正中央垂直于電場方向和磁場方向從左向右射入時,電子將 . (3)若質子以大于v的速度,沿垂直于勻強電場和勻強磁場的方向從兩板正中央射入,質子將 . 以上各小題選擇的答案有: A.不偏轉 B.向上偏轉 C.向下偏轉 D.向紙內或紙外偏轉,,答案:(1)A (2)A (3)B,要點三,帶電體在勻強磁場中的運動,【問題導引】 如圖所示,質量為m、電荷量為q的帶正電滑塊沿著豎直的粗糙絕緣墻豎直下滑,磁感應強度為B的勻強磁場方向水平,并與滑塊運動方向垂直. (1)滑塊與墻間是否有彈力的作用? (2)滑塊下滑的加速度是否變化? 答案:(1)有.帶正電滑塊沿著絕緣墻豎直下滑,由左手定則可知,滑塊的洛倫茲力水平向左,則豎直墻對滑塊有水平向右的彈力. (2)滑塊沿著豎直墻下滑時,滑塊的洛倫茲力變化,豎直墻對滑塊向右的彈力變化,滑塊與墻間有變化的滑動摩擦力,滑塊下滑的加速度發(fā)生變化.,【例3】 (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.現(xiàn)給滑環(huán)施以一個水平向右的初速度,則滑環(huán)在桿上的運動情況可能是( ) A.始終做勻速運動 B.開始做減速運動,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,,?思維導圖?,ABD,,解析:帶負電滑環(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定,因而洛倫茲力與滑環(huán)重力可出現(xiàn)三種不同的關系:(1)當洛倫茲力等于重力,滑環(huán)不受摩擦力,則滑環(huán)做勻速運動.(2)當洛倫茲力開始時小于重力,由于桿是粗糙的,則滑環(huán)受到向左的摩擦力,滑環(huán)將做減速運動,最后停在桿上.(3)當洛倫茲力開始時大于重力,由于滑環(huán)受摩擦力作用,速度減小,則滑環(huán)所受的洛倫茲力隨速度減小而減小,滑環(huán)與桿之間擠壓力將逐漸減小,因而滑環(huán)所受的摩擦力減小,當擠壓為零時,即洛倫茲力與重力平衡時摩擦力為零,滑環(huán)做勻速運動,故選項A,B,D正確.,誤區(qū)警示 對洛倫茲力的理解 (1)帶電物體在磁場中運動時,只要速度發(fā)生變化,洛倫茲力一定發(fā)生變化. (2)帶電物體在磁場中運動所受洛倫茲力與其他力一樣,共同影響物體的運動,但要注意其變化的特點.,例3-1:一個質量m=0.1 g的小滑塊,帶有q=510-4 C的電荷,放置在傾角α=30的光滑斜面上(斜面絕緣),斜面置于B=0.5 T的勻強磁場中,磁場方向垂直紙面向里,如圖所示.小滑塊由靜止開始沿斜面下滑,若斜面足夠長,小滑塊滑至某一位置時,要離開斜面(g=10 m/s2).問: (1)小滑塊帶何種電荷?,,解析:(1)滑塊下滑過程中受力如圖所示,由左手定則可知滑塊帶負電荷.,答案:(1)負電荷,(2)小滑塊離開斜面時的瞬時速度多大? (3)該斜面的長度至少多長?,,,A,(教師參考) 【教材探究】 教材P97“思考與討論”的問題中,你認為帶電粒子(不計重力)垂直于磁場方向進入勻強磁場,帶電粒子將做怎樣的運動? 答案:由于洛倫茲力總是垂直于電荷運動方向,因此洛倫茲力一定不做功.它只改變運動電荷的速度方向,不能改變運動電荷的速度(或動能)的大小,由此可知,帶電粒子在勻強磁場中可做勻速圓周運動.,達標測評 隨堂演練檢測效果,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帶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(jù)左手定則可知A圖中洛倫茲力方向應該豎直向上,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,故選項A,B,D正確,C錯誤.,ABD,2.在以下關于電荷、通電導線在電場或磁場中受力的說法中,正確的是( ) A.把通電導線放在磁場中,通電導線一定會受到洛倫茲力的作用 B.把電荷放在電場中,電荷一定受到靜電力的作用 C.把電荷放在磁場中,電荷一定受到洛倫茲力的作用 D.電荷在磁場中運動,電荷一定受到洛倫茲力的作用,,B,解析:通電導線中電流方向與磁場方向平行時,導線不受磁場力作用,但電荷在電場中,一定會受靜電力作用,選項A錯誤,B正確;靜止的電荷在磁場中不受磁場力作用,運動電荷速度方向與磁場方向平行時,也不受磁場力作用,選項C,D錯誤.,3.(多選)將帶電的小球用細線懸掛置于勻強磁場中,由如圖所示位置釋放,當帶電小球最初兩次經過最低點時,相同的量是( ) A.小球受到的洛倫茲力 B.細線的拉力 C.小球的動能 D.小球的加速度,,CD,解析:帶電小球在磁場中運動時受洛倫茲力作用,但洛倫茲力對小球不做功,因此小球最初兩次經過最低點時速度大小相等,但方向相反,因此洛倫茲力變化、動能不變;由圓周運動知識可知,向心加速度不變,但細線拉力變化,故選項C,D正確.,4.如圖所示,在兩平行金屬板間有正交的勻強電場和勻強磁場,一個帶電粒子垂直于電場和磁場方向射入場中,射出時粒子的動能減小了,為了使粒子射出時比射入時的動能增大,在不計重力的情況下,可采取的方法是(其他條件不變)( ) A.增大粒子射入時的速度 B.增大磁場的磁感應強度 C.增大電場的電場強度 D.改變粒子的帶電性質,,C,解析:無論粒子帶何種電荷,由于靜電力與洛倫茲力都是方向相反的,而動能減少說明靜電力做了負功,即靜電力小于洛倫茲力,粒子向洛倫茲力的方向偏轉.所以要使動能增大,必然減小洛倫茲力或增大靜電力.增大速度,則洛倫茲力增大而靜電力不變,動能更會減少,選項A錯誤.增大磁感應強度即增大了洛倫茲力,選項B錯誤.增加電場強度即增大靜電力,使粒子向靜電力方向偏轉,這樣靜電力做正功,所以動能會增大,選項C正確.改變電性,兩力同時反向,洛倫茲力仍大于靜電力,所以粒子動能仍會減少,選項D錯誤.,(教師參考) 課堂小結,謝謝觀賞！,