高中物理 第三章 磁场对运动电荷的作用洛伦兹力学案 教科版选修31.doc

磁场对运动电荷的作用洛伦兹力学习目标定位 1.能从安培力的计算公式推导出洛伦兹力的计算公式.2.会计算洛伦兹力的大小，会判断洛伦兹力的方向.3.会用公式f洛qvb推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式、周期公式，并会应用它们解决有关问题一、洛伦兹力1洛伦兹力：运动电荷在磁场中受到的磁场力，称为洛伦兹力2洛伦兹力的大小：电荷量为q的运动电荷所受到的洛伦兹力为f洛qvb.当电荷的速度方向和磁场方向平行时，运动电荷所受洛伦兹力为零3.洛伦兹力的方向，可用左手定则判断正电荷所受洛伦兹力的方向与b、v的关系如图1表示，若带电粒子是负电荷，则受力方向与正电荷的受力方向相反图1二、带电粒子在磁场中的运动1当一个带电粒子垂直射入匀强磁场中时，洛伦兹力的方向总跟粒子运动的速度方向垂直所以洛伦兹力对运动电荷不做功(填“做功”或“不做功”)，它不会改变带电粒子速度的大小，只改变粒子运动的方向， 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动2由qvbm得，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径r，进一步得周期t.一、洛伦兹力的方向问题设计如图2所示，一个阴极射线管的两个电极之间加上高电压后，就会在旁边的荧光屏上看到一条亮线它显示出了电子运动的路径将阴极射线管置入磁场中，会看到电子束偏转那么，电子束偏转方向与磁场方向、电子束运动方向的关系满足怎样的规律？图2答案左手定则要点提炼1洛伦兹力的方向可以根据左手定则来判断，四指所指的方向为正电荷的运动方向(或为负电荷运动的反方向)，拇指所指的方向就是运动的正电荷(负电荷)在磁场中所受洛伦兹力的方向负电荷受力的方向与同方向运动的正电荷受力的方向相反2洛伦兹力的方向与电荷运动方向和磁场方向都垂直，即洛伦兹力的方向总是垂直于v和b所决定的平面(但v和b的方向不一定垂直)二、洛伦兹力的大小问题设计如图3所示，磁场的磁感应强度为b.设磁场中有一段长度为l的通电导线，横截面积为s，单位体积中含有的自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量为q且定向运动的速度都是v .图3(1)导线中的电流是多少？导线在磁场中所受安培力多大？(2)长为l的导线中含有的自由电荷数为多少？电荷定向运动时所受洛伦兹力的矢量和，在宏观上表现为导线所受的安培力则每个自由电荷所受洛伦兹力多大？答案(1)inqvsf安ilbnqvslb(2)nnslf洛qvb要点提炼1安培力是导体中所有定向移动的的自由电荷受到的洛伦兹力的宏观表现而洛伦兹力是安培力的微观本质2洛伦兹力的大小：fqvbsin ，为电荷运动的方向与磁感应强度方向的夹角(1)当电荷运动方向与磁场方向垂直时：fqvb；(2)当电荷运动方向与磁场方向平行时：f0；(3)当电荷在磁场中静止时：f0.三、带电粒子在磁场中的运动问题设计1一个带电粒子，在磁感应强度为b的匀强磁场中以速度v垂直磁场方向开始运动，这个粒子将做什么运动？答案由左手定则可以判断，这个带电粒子在匀强磁场中所受的洛伦兹力的方向垂直于磁场方向和粒子运动方向所决定的平面，由此可以看出洛伦兹力f洛总是垂直于速度v的方向，且洛伦兹力总在一个平面内，故这个带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动2一个质量为m、带电荷量为q的粒子，在磁感应强度为b的匀强磁场中，以速度v做匀速圆周运动，你能计算出它做圆周运动的轨道半径r和周期t吗？答案因做匀速圆周运动的向心力为洛伦兹力f洛qvb故有qvb带电粒子做圆周运动的半径：r周期：t.要点提炼1带电粒子所受洛伦兹力与速度方向垂直，只改变速度方向，不改变速度大小，对运动电荷不做功2沿着与磁场垂直的方向射入磁场中的带电粒子，在匀强磁场中做匀速圆周运动向心力为洛仑兹力fqvb，由qvb可知半径r，又t，所以t.延伸思考由r知同一带电粒子，在同一匀强磁场中，半径r会随着速度的增大而增大，它的周期也会随着速度的增大而增大吗？答案不会由t，得出t与速度无关一、洛伦兹力的方向和大小例1如图4所示，各图中的匀强磁场的磁感应强度均为b，带电粒子的速率均为v，带电荷量均为q.试求出图中带电粒子所受洛伦兹力的大小，并指出洛伦兹力的方向图4解析(1)因vb，所以fqvb，方向垂直v指向左上方(2)v与b的夹角为30，将v分解成垂直磁场的分量和平行磁场的分量，vvsin 30，fqvbsin 30qvb.方向垂直纸面向里(3)由于v与b平行，所以不受洛伦兹力(4)v与b垂直，fqvb，方向垂直v指向左上方答案(1)qvb垂直v指向左上方(2)qvb垂直纸面向里(3)不受洛伦兹力(4)qvb垂直v指向左上方二、带电粒子在磁场中的圆周运动例2(2012广东15)质量和电荷量都相等的带电粒子m和n，以不同的速率经小孔s垂直进入匀强磁场，运行的半圆轨迹如图5中虚线所示下列表述正确的是()图5am带负电，n带正电bm的速率小于n的速率c洛伦兹力对m、n做正功dm的运行时间大于n的运行时间解析由左手定则知m带负电，n带正电，选项a正确；带电粒子在磁场中做匀速圆周运动且向心力f向f洛，即qvb得r，因为m、n的质量、电荷量都相等，且rmrn，所以vmvn，选项b错误；m、n运动过程中，f洛始终与v垂直，f洛不做功，选项c错误；由t知m、n两粒子做匀速圆周运动的周期相等且在磁场中的运动时间均为，选项d错误答案a三、有关洛伦兹力的综合问题分析例3一个质量为m0.1 g的小滑块，带有q5104c的电荷量，放置在倾角30的光滑斜面上(绝缘)，斜面固定且置于b0.5 t的匀强磁场中，磁场方向垂直纸面向里，如图6所示，小滑块由静止开始沿斜面滑下，斜面足够长，小滑块滑至某一位置时，要离开斜面(g取10 m/s2)求：图6(1)小滑块带何种电荷？(2)小滑块离开斜面时的瞬时速度多大？(3)该斜面长度至少多长？解析(1)小滑块在沿斜面下滑的过程中，受重力mg、斜面支持力n和洛伦兹力f作用，如图所示，若要使小滑块离开斜面，则洛伦兹力f应垂直斜面向上，根据左手定则可知，小滑块应带负电荷(2)小滑块沿斜面下滑的过程中，由平衡条件得fnmgcos ，当支持力n0时，小滑块脱离斜面设此时小滑块速度为vmax，则此时小滑块所受洛伦兹力fqvmaxb，所以vmaxm/s3.5 m/s(3)设该斜面长度至少为l，则小滑块离开斜面的临界情况为小滑块刚滑到斜面底端时因为下滑过程中只有重力做功，由动能定理得mglsin mv0，所以斜面长至少为l m1.2 m答案(1)负电荷(2)3.5 m/s(3)1.2 m规律总结1.带电物体在磁场或电场中运动的分析方法和分析力学的方法一样，只是比力学多了洛伦兹力和电场力2对带电粒子受力分析求合力，若合力为零，粒子做匀速直线运动或静止；若合力不为零，粒子做变速直线运动，再根据牛顿第二定律分析粒子速度变化情况1(对洛伦兹力方向的判定)如图所示，带负电的粒子在匀强磁场中运动关于带电粒子所受洛伦兹力的方向，下列各图中判断正确的是()答案a解析本题考查了左手定则的应用，根据左手定则即可正确判断磁场、运动方向、洛伦兹力三者之间的关系，特别注意的是四指指向和正电荷运动方向相同和负电荷运动方向相反根据左手定则可知a图中洛伦兹力方向应该向下，故a正确；b图中洛伦兹力方向向上，故b错误；c图中所受洛伦兹力方向向里，故c错误；d图中受洛伦兹力方向向外，故d错误故选a.2(对洛伦兹力公式的理解)一带电粒子在匀强磁场中沿着磁感线方向运动，现将该磁场的磁感应强度增大一倍，则带电粒子受到的洛伦兹力()a增大两倍 b增大一倍c减小一半 d依然为零答案d解析本题考查了洛伦兹力的计算公式fqvb，注意公式的适用条件若粒子速度方向与磁场方向平行，洛伦兹力为零，故a、b、c错误，d正确3(带电粒子在磁场中的圆周运动)在匀强磁场中，一个带电粒子做匀速圆周运动，如果又垂直进入另一磁感应强度是原来的磁感应强度2倍的匀强磁场，则()a粒子的速率加倍，周期减半b粒子的速率不变，轨道半径减半c粒子的速率减半，轨道半径为原来的四分之一d粒子的速率不变，周期减半答案bd解析洛伦兹力不改变带电粒子的速率，a、c错由r，t知：磁感应强度加倍时，轨道半径减半、周期减半，故b、d正确4. (洛伦兹力作用下的综合问题分析)如图7所示，abc为竖直平面内的光滑绝缘轨道，其中ab为倾斜直轨道，bc为与ab相切的圆形轨道，并且圆形轨道处在匀强磁场中，磁场方向垂直纸面向里质量相同的甲、乙、丙三个小球中，甲球带正电、乙球带负电、丙球不带电现将三个小球在轨道ab上分别从不同高度处由静止释放，都恰好通过圆形轨道的最高点，则()图7a甲球的释放位置比乙球的高b运动过程中三个小球的机械能均保持不变c经过最高点时，三个小球的速度相等d经过最高点时，甲球的速度最小答案ab解析在整个过程中，洛伦兹力不做功，机械能守恒，所以b正确；在最高点时，甲球受洛伦兹力向下，乙球受的洛伦兹力向上，而丙球不受洛伦兹力，即三球在最高点所受合力不同，根据牛顿第二定律和圆周运动公式可知fm，三球的速度不相等，甲球速度最大，所以c、d错误甲球的速度最大，因机械能守恒，故甲球释放时的高度最高，所以a正确；题组一对洛伦兹力方向的判定1在以下几幅图中，对洛伦兹力的方向判断不正确的是()答案c 2.一束混合粒子流从一发射源射出后，进入如图1所示的磁场，分离为1、2、3三束，则下列判断正确的是()图1a1带正电 b1带负电c2不带电 d3带负电答案acd解析根据左手定则，带正电的粒子向左偏，即1；不偏转说明不带电，即2；带负电的粒子向右偏，即3，因此答案为a、c、d.3在学校操场的上空停着一个热气球，从它底部脱落一个塑料小部件，下落过程中由于和空气摩擦而带负电，如果没有风，那么它的着地点会落在热气球正下方地面位置的()a偏东 b偏西 c偏南 d偏北答案b解析在北半球，地磁场在水平方向上的分量方向是水平向北，塑料小部件带负电，根据左手定则可得塑料小部件受到向西的洛伦兹力，故向西偏转，b正确4显像管原理的示意图如图2所示，当没有磁场时，电子束将打在荧光屏正中的o点，安装在管径上的偏转线圈可以产生磁场，使电子束发生偏转设垂直纸面向里的磁场方向为正方向，若使电子打在荧光屏上的位置由a点逐渐移动到b点，下列变化的磁场能够使电子发生上述偏转的是()图2答案a解析电子偏转到a点时，根据左手定则可知，磁场方向垂直纸面向外，对应的bt图的图线就在t轴下方；电子偏转到b点时，根据左手定则可知，磁场方向垂直纸面向里，对应的bt图的图线应在t轴上方，a正确题组二对洛伦兹力特点及公式的理解应用5一个运动电荷在某个空间里没有受到洛伦兹力的作用，那么()a这个空间一定没有磁场b这个空间不一定没有磁场c这个空间可能有方向与电荷运动方向平行的磁场d这个空间可能有方向与电荷运动方向垂直的磁场答案bc解析由题意，运动电荷在某个空间里没有受到洛伦兹力，可能空间没有磁场，也可能存在磁场，磁场方向与电荷运动方向平行故a错误，b、c正确若磁场方向与电荷运动方向垂直，电荷一定受到洛伦兹力，不符合题意，故d错误故选b、c.6.如图3所示，一束电子流沿管的轴线进入螺线管，忽略重力，电子在管内的运动应该是()图3a当从a端通入电流时，电子做匀加速直线运动b当从b端通入电流时，电子做匀加速直线运动c不管从哪端通入电流，电子都做匀速直线运动d不管从哪端通入电流，电子都做匀速圆周运动答案c解析电子的速度vb，f洛0，电子做匀速直线运动7关于带电粒子在匀强电场和匀强磁场中的运动，下列说法中正确的是()a带电粒子沿电场线方向射入，则电场力对带电粒子做正功，粒子动能一定增加b带电粒子垂直于电场线方向射入，则电场力对带电粒子不做功，粒子动能不变c带电粒子沿磁感线方向射入，洛伦兹力对带电粒子做正功，粒子动能一定增加d不管带电粒子怎样射入磁场，洛伦兹力对带电粒子都不做功，粒子动能不变答案d解析带电粒子在电场中受到的电场力fqe，只与电场有关，与粒子的运动状态无关，做功的正负由角(力与位移方向的夹角)决定对选项a，只有粒子带正电时才成立；垂直射入匀强电场的带电粒子，不管带电性质如何，电场力都会做正功，动能增加带电粒子在磁场中的受力洛伦兹力fqvbsin ，其大小除与运动状态有关，还与角(磁场方向与速度方向之间的夹角)有关，带电粒子沿平行磁感线方向射入，不受洛伦兹力作用，粒子做匀速直线运动在其他方向上由于洛伦兹力方向始终与速度方向垂直，故洛伦兹力对带电粒子始终不做功综上所述，正确选项为d.8.有一个带正电荷的离子，沿垂直于电场的方向射入带电平行板的匀强电场，离子飞出电场后的动能为ek.当在带电平行板间再加入一个垂直纸面向里的如图4所示的匀强磁场后，离子飞出电场后的动能为ek，磁场力做功为w，则下列判断正确的是()图4aekek，w0cekek，w0 dekek，w0答案b解析磁场力即洛伦兹力，不做功，故w0，d错误；有磁场时，带正电的粒子受到洛伦兹力的作用使其所受的电场力做功减少，故b选项正确题组三带电粒子在磁场中的运动9如果一带电粒子匀速进入一个磁场，除磁场力外不受其他任何力的作用，则带电粒子在磁场中可能做()a匀速运动 b平抛运动c匀加速直线运动 d变速曲线运动答案ad解析如果粒子运动方向与磁场方向平行，则它不会受到洛伦兹力，做匀速运动，a正确在其他情况下，洛伦兹力的方向总与速度方向垂直，速度大小不变，但方向变化，所以只能做变速曲线运动，d正确粒子的加速度方向时刻改变，所以不能做匀加速直线运动和平抛运动，b、c均错误故选a、d.10有三束粒子，分别是质子(p)、氚核(31h)和粒子(42he)束，如果它们以相同的速度沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场(磁场方向垂直纸面向里)，在下面所示的四个图中，能正确表示出这三束粒子运动轨迹的是()答案c11.如图5所示，a和b带电荷量相同，以相同动能从a点射入磁场，在匀强磁场中做圆周运动的半径ra2rb，则可知(重力不计)()图5a两粒子都带正电，质量比ma/mb4b两粒子都带负电，质量比ma/mb4c两粒子都带正电，质量比ma/mb1/4d两粒子都带负电，质量比ma/mb1/4答案b解析由于qaqb、ekaekb，动能ekmv2和粒子偏转半径r，可得m，可见m与半径r的平方成正比，故mamb41，再根据左手定则判知两粒子都带负电，故选b.12已知氢核与氦核的质量之比m1m214，电荷量之比q1q212，当氢核与