3.4磁场对运动电荷的作用力.doc

1、3.4 磁场对运动电荷的作用力【学习目标】1理解洛伦兹力和安培力的关系，能够由已知的安培力的大小和方向推知洛伦兹力的大小和方向。2理解洛伦兹力大小的决定因素，弄清洛伦兹力与电场力的区别，能够熟练地运用洛伦兹力的计算公式。3理解洛伦兹力方向与磁场方向、电流方向的关系，能够熟练地运用左手定则判断洛伦兹力的方向。4掌握并能熟练地运用洛伦兹力的特点：与速度方向垂直，永远不做功，不改变运动电荷的动能。【要点梳理】要点一、洛伦兹力的大小和方向要点诠释：1洛伦兹力运动电荷在磁场中所受的力叫做洛伦兹力。2洛伦兹力与安培力的关系（ 1）安培力是洛伦兹力的宏观表现，洛伦兹力是安培力的微观解释。电流是带电粒子定向运

2、动形成的，通电导线在磁场中受到磁场力（安培力）的作用，揭示了带电粒子在磁场中运动时要受磁场力作用的本质（ 2）大小关系： F安 NF洛 ，式中的 N 是导体中的定向运动的电荷数。3洛伦兹力的方向左手定则伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内，让磁感线从掌心进入，并使四指指向正电荷运动的方向， 这时拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。 负电荷受力的方向与正电荷受力的方向相反。4洛伦兹力的大小洛伦兹力的大小用公式FqvB sin来计算，其中为电荷速度方向与磁感应强度方向的夹角。（ 1）当运动电荷运动方向与磁感应强度方向垂直时：F=qvB；（ 2）当运动

3、电荷运动方向与磁感应强度方向平行时：F=0；（ 3）当电荷在磁场中静止时： F=0。要点二、对洛伦兹力的理解要点诠释：1如何正确理解洛伦兹力的方向（ 1）洛伦兹力的方向可由左手定则判定，决定洛伦兹力方向的因素有三个：电荷的电性（正、负）、速度方向、磁感应强度的方向。当电荷一定即电性一定时，其他两个因素中，如果只让一个因素的方向相反，则洛伦兹力方向必定相反；如果同时让两个因素的方向相反，则洛伦兹力方向将不变。（ 2）在电荷的运动方向与磁场方向垂直时，由左手定则可知，洛伦兹力的方向既与磁场方向垂直，又与电荷的运动方向垂直，即洛伦兹力垂直于v 和 B 两者决定的平面。（ 3）电荷运动的方向v 和 B

4、 不一定垂直，但洛伦兹力一定垂直于磁感应强度B 和速度 v 的方向。2应用洛伦兹力公式应注意的问题（ 1）公式 F=qvB 仅适用于 v B 的情况，式中的 v 是电荷相对于磁场的运动速度。（ 2）当电荷的运动方向与磁场方向相同或相反，即v 与 B 平行时，由实验可知， F=0。所以只有当 v 与 B 不平行时，运动电荷才受洛伦兹力。当电荷运动方向与磁场方向夹角为时，电荷所受洛伦兹力的计算公式为：FBqvsin。（ 3）当 v=0 时， F=0。即磁场对静止的电荷无作用力，磁场只对运动电荷有作用力。这与电场对其中的静止电荷或运动电荷总有电场力作用是不同的。3洛伦兹力与安培力、电场力有何区别和联

5、系（ 1）洛伦兹力与安培力的关系洛伦兹力是单个运动电荷在磁场中受到的力，而安培力是导体中所有定向移动的自由电荷受到的洛伦兹力的宏观表现；尽管安培力是自由电荷定向移动时受到的洛伦兹力的宏观表现，但也不能认为安培力就简单地等于所有定向移动电荷所受洛伦兹力的和，一般只有当导体静止时才能这样认为；洛伦兹力恒不做功，但安培力却可以做功。可见安培力与洛伦兹力既有紧密相关、不可分割的联系，也有显著的区别。（ 2）洛伦兹力与电场力的比较这两种力是带电粒子在两种不同的场中受到的力，反映了磁场和电场都有力的性质，但这两种力的区别也是十分明显的。洛伦兹力电场力作用对象仅在运动电荷的速度方向与B 不平行时， 运 带电

6、粒子只要处在电场中， 一定受到电场动电荷才受到洛伦兹力力大小、方向F Bqvsin ，方向与 B 垂直，与 v 垂直，F=qE， F 的方向与 E 同向或反向用左手定则判断特点洛伦兹力永不做功电场力可做正（或负）功要点三、电视机显像管的工作原理要点诠释：1构造电视机显像管由电子枪、偏转线圈和荧光屏三部分组成，如图所示。2原理阴极发射电子，经过偏转线圈（偏转线圈产生的磁场和电子运动方向垂直）电子受洛伦兹力发生偏转，偏转后的电子打在荧光屏上，使荧光屏发光。3扫描在电视机显像管的偏转区有两对线圈，叫做偏转线圈，偏转线圈中通入大小、方向按一定规律变化的电流，分别在竖直方向和水平方向产生偏转磁场， 其方

7、向、 强弱都在不断地变化， 因此电子束打在荧光屏上的光点就像下图那样不断移动，这种电视技术叫做扫描。4工作过程电视机显像管发射电子，在加速电场中被加速后进入偏转磁场。在偏转磁场的作用下，电子束在荧光屏上扫描。电子束从最上一行到最下一行扫描一遍，叫做一场，电视机中每秒要进行50 场扫描，加上人的“视觉暂留”，所以我们感到整个荧光屏都在发光。【典型例题】类型一、对磁场力的基本认识例 1、 在磁感应强度为B 的匀强磁场中，垂直于磁场方向放入一段通电导线若任意时刻该导线中有N 个以速度 v 做定向移动的电荷，每个电荷的电荷量为q则每个电荷所受的洛伦兹力f=_ ，该段导线所受的安培力为 F=_ 。【答案

8、】qvBNqvB【解析】垂直于磁场方向运动的带电粒子所受洛伦兹力的表达式为f=qvB ，导体在磁场中所受到的安培力实质是导体中带电粒子所受洛伦兹力的宏观体现，即安培力F=Nf=NqvB 【总结升华】解题时要明确安培力是洛伦兹力的宏观体现洛伦兹力是安培力的微观解释类型二、洛伦兹力的方向例 2、 在真空中的玻璃管中，封有两个电极，当加上电压后，会从阴极射出一束高速电子流，射向阴极，称为阴极射线 如在阴极射线管的正上方平行放置一根通以强电流的长直导线，其电流方向如图所示，则阴极射线将会（）A 向上偏斜B向下偏斜C向纸内偏斜D向纸外偏斜【思路点拨】分别用左、右手定则判断磁场方向和洛伦兹力。【答案】A【

9、解析】本题考查左、 右手定则判断磁场方向和洛伦兹力根据安培定则判定通电导线周围磁场方向下部分向外；根据左手定则判断阴极射线在磁场中受力方向向上，故正确答案为A【总结升华】阴极射线是电子流，电子带负电，应用左手定则时应将四指指向电子束运动相反的方向即负电荷受力的方向和正电荷受力的方向相反举一反三【变式】如图所示，阴极射线管(A 为其阴极 ) 放在蹄形磁铁的N、 S两极间，射管的A、B 两极分别接在直流高压电源的 _极和 _极 . 此时，荧光屏上的电子束运动轨迹_偏转 ( 选填“向上”、“向下” 或“不” ) 。【变式 1】下列图中，运动电荷的速度方向、磁感应强度方向和电荷的受力方向之间的关系正确

10、的是()【答案】 B【解析】根据左手定则，A 中 F 方向应向上， B 中 F 方向应向下，故A 错、 B 对。 C、D 中都是 v B， F 0，故 C、D 都错。【变式 2】初速度为 v0 的电子， 沿平行于通电长直导线的方向射出直导线中电流方向与电子的初始运动方向如图所示，则 ( )A、电子将向右偏转，速率不变B、电子将向左偏转，速率改变C、电子将向左偏转，速率不变【答案】A类型四、洛伦兹力的特点例 4、如图所示，在竖直绝缘的平台上，一个带正电的小球以水平速度v0 抛出，落在地面上的A 点，若加一垂直纸面向里的匀强磁场，则小球的落点()【答案】负正向下类型三、洛伦兹力的大小例 3、 在如

11、图所示的各图中，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，并标出洛伦兹力的方向A仍在 A点B在 A 点左侧C在 A 点右侧D 无法确定【答案】见解析【解析】（ 1）因 vB，所以 F=qvB ，方向与 v 垂直斜向上。（ 2） v 与 B 夹角为 30，取 v 与 B 垂直分量，故 F=qvBsin30 =1qvB ，方向垂直纸面向里2（ 3）由于 v 与 B 平行，所以不受洛伦兹力（ 4） v 与 B 垂直，故 F=qvB ，方向与 v 垂直斜向上【总结升华】在计算洛伦兹力的大小时，注意公式中的是 v 与 B 的夹角洛伦兹力的方向

12、既垂直于v 又垂直于 B【答案】C【解析】洛伦兹力虽不做功，但可以改变小球的运动状态(改变速度的方向)，小球做曲线运动，在运动中任一位置受力如图所示：举一反三小球受到了斜向上的洛伦兹力的作用，小球在竖直方向的加速aymg qvBcos g，故小球平抛的时间将增加，m落点应在 A 点的右侧。【总结升华】洛伦兹力永不做功，但影响物体的运动情况举一反三【变式】以下说法正确的是（）A. 带电粒子仅在磁场中运动时，它的动能一定不变，动量可能不变B. 粒子仅受电场力作用时，动量一定改变，动能可能不变C. 在同一磁场中，如果将 q 改为 q, 把速度方向反向而速度大小不变，则所受洛仑兹力大小、方向都不变D.

13、 在洛仑兹力、磁感应强度、粒子速度这三个量中，已知任意两个量方向，就能判断第三个量的方向【答案】 C类型五、速度选择器问题分析例 5、 如图所示，在图中虚线所围的区域内，存在电场强度为E 的匀强电场和磁感应强度为B 的匀强磁场，已知从左方水平射入的电子，通过该区域时未发生偏转，假设电子重力可忽略不计，则在该区域中的E和B的方向可能是（）A E 竖直向上， B 垂直纸面向外B E 竖直向上， B 垂直纸面向里CE 和 B 都沿水平方向，并与电子运动方向相同D E 和 B 都沿水平方向，并与电子运动方向相反【答案】ACD【解析】如果 E 竖直向上， B 垂直纸面向外，电子沿图中方向射入后，电场力向

14、下，洛伦兹力向上，二力可能平衡，电子可能沿直线通过E、 B 共存区域，故A 对；同理 B 不对；如果E、B 沿水平方向且与电子运动方向相同，电子不受洛伦兹力作用。但电子受到与E 反方向的电场力作用，电子做匀减速直线运动，也不偏转，故C 对；如果 E、 B 沿水平方向，且与电子运动方向相反，电子仍不受洛伦兹力，电场力与E 反向，即与速度同方同，故电子做匀加速直线运动，也不碥转，故D 对【总结升华】解答此题不仅要想到速度选择器中电场力和洛伦兹力相平衡的情况，也要想到后两种情况中不受洛伦兹力只受电场力的匀加（减）速直线运动的情况类型六、带电粒子在复合场中的直线运动例 6 、（ 2016北京卷）如图所

15、示，质量为m，电荷量为q 的带电粒子，以初速度v 沿垂直磁场方向射入磁感应强度为 B 的匀强磁场，在磁场中做匀速圆周运动。不计带电粒子所受重力。（ 1）求粒子做匀速圆周运动的半径R 和周期 T；（ 2）为使该粒子做匀速直线运动，还需要同时存在一个与磁场方向垂直的匀强电场，求电场强度 E 的大小。【思路点拨】（1）粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，由牛顿第二定律求出轨道半径，进而求出周期。（ 2）粒子在电磁场中做匀速直线运动，电场力和洛伦兹力二力平衡，根据平衡条件即可求出电场强度E 的大小。【答案】（ 1）mv2 mR、T（ ） E vBBq2qB【解析】 (1) 由 qvBm v

16、2.R带电粒子做圆周运动半径Rmv.qB2 m匀速圆周运动的周期TqB(2)粒子受电场力FqE ,洛仑磁力fqvB ，粒子做匀速直线运动，电场力和洛伦兹力平衡，则qEqvB ,场强 EvB类型七、洛伦兹力作用下的临界（极值）问题分析例 7、在相互垂直的匀强电场和匀强磁场中，有一倾角为、且足够长的光滑绝缘斜面，磁感应强度为B，方向垂直纸面向外，电场方向竖直向上，有一质量为m、带电荷量为+q 的小球静止在斜面顶端，这时小球对斜面的压力恰好为零， 如图所示 若迅速把电场方向反转为竖直向下，小球能在斜面上连续滑行多远？所用时间是多少？【思路点拨】在分析物体受力的基础上，分清物理过程，本题中重力和电场力

17、是恒力，而洛伦兹力是变力，且随速度的增大而增加【答案】m2 g cos2m c o tq2B2 sinqB【解析】 本题是带电粒子受洛伦兹力与力学知识的综合问题，在分析物体受力的基础上，分清物理过程，根据隐含的临界条件求解本题电场反转前：mg=qE电场反转后，小球先沿斜面向下做匀加速直线运动，到对斜面压力减为零时开始离开斜面，此时有：qvB=(mg+qE)cos小球在斜面上滑行距离为：s1 vtv222aa=2gsin m2 g cos2，所用时间为 tm cot联立得 ssinq2 B2qB【总结升华】（ 1）本题中重力和电场力是恒力，而洛伦兹力是变力，且随速度的增大而增加受时分析时应注意区

18、分三力产生与作用的不同，特别是电场力与洛伦兹力的不同（ 2）洛伦兹力F=qvB 在磁场中，当带电体的速度v 变化时，洛伦兹力F 随之改变，这样，带电体在运动过程中的受力情况是动态变化的因此分析此类问题时应从受力分析入手，注意过程分析，便可找到临界（极值）状态，挖出隐含的临界（极值）条件，该类问题便可迎刃而解【巩固练习】一、选择题：1一个电子穿过某一空间而未发生偏转，则（）A 此空间一定不存在磁场B 此空间可能有磁场，方向与电子速度方向平行C 此空间可能有磁场，方向与电子速度方向垂直D 此空间可能有正交的磁场和电场，它们的方向均与电子速度方向垂直2关于洛伦兹力和安培力的描述，正确的是（）A 通电

19、直导线在匀强磁场中一定受到安培力的作用B 安培力是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现C 带电粒子在匀强磁场中运动受到的洛伦兹力做正功D 通电直导线在磁场中受到的安培力方向与磁场方向平行3（ 2016宜昌一模）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，带电粒子仅受洛伦兹力的作用，运行的半圆轨迹如图中虚线所示，下列表述正确的是()AM 带负电， N 带正电B M 的速率小于N 的速率C洛伦兹力对M、 N 不做功D M 的运行时间大于N 的运行时间4来自宇宙的质子流以与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一点，则这些质子在进入地球周围的空间时，将（）A竖直向下沿直

20、线射向地面B相对于预定地点向东偏转C相对于预定地点向西偏转D相对于预定地点向北偏转作用下，从静止开始自a 点沿曲线acb 运动，到达b 点时速度恰为零，c 点是运动轨迹的最低点，不计重力，以下说法正确的是（）A该离子必带正电荷B a 和 b 位于同一高度C离子经过c 点时速度最大D离子到达b 点后，将按原路返回到a6如图所示，匀强磁场的方向竖直向下磁场中有光滑的水平桌面，在桌面上平放着内壁光滑、底部有带电小球的试管在水平拉力F 的作用下，试管向右匀速运动，带电小球能从试管口飞出，则（）A小球带负电B小球离开管口前运动的轨迹是一条抛物线C洛伦兹力对小球做正功D拉力 F 应逐渐减小7下列关于带电荷

21、量为+q 的粒子在匀强磁场中运动的说法，正确的是（）A只要速度的大小相同，所受洛伦兹力的大小就相同B如果把 +q 改为 q，且速度反向而大小不变，则洛伦兹力的大小、方向都不变C洛伦兹力方向一定与电荷运动的速度方向垂直，磁场方向也一定与电荷的运动方向垂直D当粒子只受洛伦兹力作用时，动能不变8(2015贵阳一模 ) 如图所示，在x 轴上方存在垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B。在 xOy 平面内，从原点 O 处沿与 x 轴正方向成角 (0)以速率 v 发射一个带正电的粒子(重力不计 ) 。则下列说法正确的是()A 若 v 一定， 越大，则粒子在磁场中运动的时间越短B 若 v 一定， 越大，则

22、粒子在离开磁场的位置距O 点越远C若 一定， v 越大，则粒子在磁场中运动的角速度越大D 若 一定， v 越大，则粒子在磁场中运动的时间越短9如图所示，正方形区域abcd 中充满匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里。一个氢核从ad 边的中点m沿着既垂直于 ad 边又垂直于磁场的方向，以一定速度射入磁场，正好从 ab 边中点 n 射出磁场。 若将磁场的磁感应强度变为原来的 2 倍，其他条件不变，则这个氢核射出磁场的位置是（）5设空间存在着竖直向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场，如图所示已知一离子在静电力和洛伦兹力的A在 b、 n 之间某点B在 n、 a 之间某点C a 点D在 a、 m之间某点二、

23、解答题：1阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的高速运动的粒子流，这些微观粒子是_。若在如图所示的阴极射线管中部加上垂直于纸面向里的磁场，阴极射线将_偏转。（选填“向上” “向下”“向里”或“向外” ）2一种测量血管中血流速度仪器的原理如图所示，在动脉血管左右两侧加有匀强磁场，上下两侧安装电极并连接电压表，设血管直径是2.0 mm，磁场的磁感应强度为0.080 T 。电压表测出的电压为0.10 mV ，则血流速度大小为_m s3质量为m、电荷量为q 的微粒以速度”与水平方向成45进入匀强电场和匀强磁场中，如图所示，磁场的方向垂直于纸面向里，如微粒在电场、磁场及重力的作用下做匀速直线运动，则电场强度

24、的大小E=_，磁感应强度的大小为B=_4某带电粒子从图中速度选择器左端由中点O以垂直于电场和磁场的速度v0 向右射去，从右端中心a 下方的 b 点以速度 v1 射出；若增大磁感应强度B，该粒子将打到a 点上方的c 点，且有ac=ab，则该粒子带_电；第二次射出时的速度为_。cab5（ 2016海淀区校级月考）如图所示， 长 L 的丝线的一端固定，另一端栓一带正电的小球，小球质量为m，带电量为q，使丝线与竖直方向成角，由静止释放小球，小球运动的空间有方向垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为 B，求：（ 1）小球通过最低点速度大小（ 2）小球每次运动到最低点时，丝线的拉力大小【答案与解析】一、选择

25、题：1BD解析：依据对洛伦兹力的说明可知：当v 的方向与磁感应强度 B 的方向平行时，运动电荷不受洛伦兹力的作用力；带电粒子仍然以速度 v 做匀速直线运动因此一个电子穿过某一空间而未发生偏转不能说此空间一定不存在磁场，可能空间有磁场， 方向与电子速度方向平行，或者说此空间可能有正交的磁场和电场，它们的方向均与电子速度方向垂直，导致电子所受合力为零因此，本题的正确选项为B、 D2B解析：当通电导线与磁场平行时不受安培力作用，A 错；洛伦兹力永远都不做功，C错；安培力方向与磁场方向垂直， D 错正确答案为 B3【答案】 AC【解析】由左手定则可知， M 带负电， N 带正电，选项A 正确；由 rm

26、v 可知， M 的速率大于 N 的速率，选项 BqB错误；洛伦兹力对 M、N 不做功，选项C 正确；由 T2mN 的运行时间，选项 D 错误。可知 M 的运行时间等于qB4B解析：地球表面地磁场方向由南向北，质子是氢原子核，带正电荷根据左手定则可判定，质子自赤道上空竖直下落过程中受洛伦兹力方向向东5ABC解析：离子在 a 点时静止不受洛伦兹力作用，根据运动轨迹可判定电场力方向竖直向下，所以离子带正电， A正确；离子沿轨迹 acb 运动到 b 点时速度为零，由动能定理可知，合外力做功为零，而洛伦兹力永不做功，因而电场力做功为零，即 a、 b 位于同一等势面上，所以a 点与 b 点位于同一高度，B

27、 正确；而 c 点位于轨迹的最低点， a、 c 之间的电势差最大，电场力做功最多，由动能定理可知，c 点的速度最大， C 正确， D 显然不正确6B解析：指向管口的洛伦兹力f1 qvB ，由左手定则可知，带电小球带正电，小球的加速度a qvB m 恒定小球的运动为沿管方向的匀加速直线运动（初速度为零） 和沿 F 方向的匀速直线运动的合运动， 轨迹是一条抛物线 沿管方向的运动速度 v atqvBtm ，受到垂直于管的洛伦兹力f21 和f2 的合力是小球受到的洛伦兹qBv f力合力，此力跟合速度垂直，不做功由小球沿F 方向上做匀速直线运动知F f 2q2B2 vt m ，则 F 逐渐增大7 BD解析：洛伦兹力的大小不仅与速度的大小有关，还与其方向有关，故A 项错误；用左手定则判定洛伦兹力方向时，负电荷运动方向跟正电荷运动的方向相反，故把+q 换成 q，且速度反向而大小不变时，洛伦兹力的大小、方向均不发生变化， B 项正确；洛伦兹力的方向一定跟电荷速度方向垂直，但电荷进入磁场的速度方向可以是任意的，因而磁场方向与电荷的运动方向的夹角也可以是任意的，故 C 项错误； 洛伦兹力对运动电荷不做功， 不改变运动电荷的动能，故 D 项正确。8【答案】 A【解析】由左手定则可知，带正电的粒子向左偏转。若v 一定， 越