2015-2016学年高中物理第5章磁场与回旋加速器4探究洛伦兹力导学案沪科版选修3-1

1、学案 4 探究洛伦兹力目标定位1.通过实验，观察阴极射线在磁场中的偏转，认识洛伦兹力2 会判断洛伦兹力的方向，会计算洛伦兹力的大小3 知道带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，并会推导其运动半径公式和周期公式 知识，探究一、洛伦兹力的方向问题设计如图 1 所示，用阴极射线管研究磁场对运动电荷的作用，不同方向的磁场对电子束径迹有不同影响那么电荷偏转方向与磁场方向、电子运动方向的关系满足怎样的规律？图 1答案左手定则要点提炼1. 洛伦兹力：运动电荷在磁场中受到的力通电导线在磁场中受到的安培力，实际是洛伦兹力的宏观表现2. 洛伦兹力的方向判定： 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

2、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_.3. 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 2 所示，将直导线垂直放入磁场中，直导线中自由电荷的电荷量为q，定向移动的速度为V，单位体积的自由电荷数为n，导线长度为L，横截面积为S,磁场的磁感应强度为B.x x7 K w()M呈 eK XXK|k-L- I图 22(1)导线中的电流是多大？导线在磁场中所受安培力是多

3、大?3(2)长为L的导线中含有的自由电荷数为多少？如果把安培力看成是每个自由电荷所受洛伦 兹力的合力，则每个自由电荷所受的洛伦兹力是多少？答案(1)1=nqvS F=BIL=BnqvSLFN=nSL f= =qvBN要点提炼1. 洛伦兹力的大小：f=qvBsin0,0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：f=qvB；(2) 当电荷运动方向与磁场方向平行时：f= 0;(3) 当电荷在磁场中静止时：f= 0.2. 洛伦兹力与安培力的关系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.而洛伦兹力是安培力的微观本质.三、研究带电粒子在磁场中的运动问题

4、设计如图 3 所示的装置是用来演示电子在匀强磁场中运动轨迹的装置(1) 当不加磁场时，电子的运动轨迹如何？当加上磁场时，电子的运动轨迹如何？(2) 如果保持电子的速度不变，增大磁感应强度，圆半径如何变化？如果保持磁场强弱不变，增大电子的速度，圆半径如何变化？答案(1) 是- -条直线是- 一个圆周(2)半径减小半径增大要点提炼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，对运动电荷图 34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2mv左mv2nr2nm提供向心力f=qvB,由qvB= 可知半径r=，又T= ，所以T=.rBqvBq

5、.洛伦兹力5、对洛伦兹力方向的判定例 1】下列关于图中各带电粒子所受洛伦兹力的方向或带电粒子的带电性的判断错误的是A.洛伦兹力方向竖直向上B.洛伦兹力方向垂直纸面向里C.粒子带负电D.洛伦兹力方向垂直纸面向外解析根据左手定则可知 A 图中洛伦兹力方向应该竖直向上,向里，C 图中粒子带正电，D 图中洛伦兹力方向垂直纸面向外, 答案 C二、对洛伦兹力公式的理解荷量均为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（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, 1 _ 一 一f=qvBsin 30 = 2qvB.方向垂直纸面向里 （3）由于v与B平行，所以不受

6、洛伦兹力.v与B垂直，f=qvB,方向垂直v指向左上方.1 答案 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）qvBB 图中洛伦兹力方向垂直纸面故 A、B、D 正确，C 错误.例 2】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,带电解析因v丄B,所以f=qvB,方向垂直v指向左上方.v=vsin 30 ,- 0图 4XX其6垂直v指向左上方三、带电粒子在磁场中的圆周运动 【例 3 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（XXX*Nx泮X X xx J

7、玄A.M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做正功D.M的运行时间大于N的运行时间都为t二器D错误.故选 A.答案 A针对训练 质子和a粒子由静止出发经过同一加速电场加速后，沿垂直磁感线方向进入同一匀强磁场，则它们在磁场中的各物理量间的关系正确的是（）同理可求其他物理量之比 四、带电物体在匀强磁场中的运动问题例 4 一个质量为 m= 0.1 g 的小滑块，带有q= 5X104C 的电荷量，放置在倾角a= 30的光滑斜面上（绝缘），斜面固定且置于B= 0.5 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

8、时，要离开2斜面（g取 10 m/s ）.求：解析 根据左手定则可知N带正电,M带负电，A 正确；因为mvr=亦而M的半径大于N的半径，所以M的速率大于N的速率,B 错误；洛伦兹力不做功,C 错误；M和N的运行时间A.速度之比为 2 :1C.半径之比为 1 : 2答案 B解析由ql 2mVqvB=2mvB.周期之比为 1：2D.角速度之比为 1：1得R= B2mU亠，而m= 4m,q“= 2qH,.2,又2nmqB，故TH: Ta= 1 : 2.7 3.5 m/s设该斜面长度至少为 I ,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12下滑过程中只有重力做功，由动能定理得mgls i

9、na= -mmax 0,所以斜面长至少为I=答案 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课堂要点小结图 6(1) 小滑块带何种电荷？(2) 小滑块离开斜面时的瞬时速度是多大？(3) 该斜面长度至少为多长？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

10、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f+N= mgcosa,当支持力N=0 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f=qVmaxB,所以Vmax=mgposaqB一 30.1X10 x10X5X10_4X0.52m/s2Vmax2gsina2X10X0.5m 1.2 m.工斗址拭8洛伦兹力的方向一一左手定则（注意正、负电荷）f= 0（v/B）洛伦兹力的大小一一f=qvB（v丄B）f=qvBsin0（v与B的夹角为0）mvr=-z.、qB带电粒子的轨道半径和周期一2nmT=qB自我检测1.（对洛伦兹力方向的判定）如图所示，带负电

11、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直接应用，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垂直纸面向里，故C 错误；D 图中所受洛伦兹力方向垂直纸面向外，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

12、两倍 B.增大一倍X I X K X9C.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F=qvB,注意公式的适用条件.若粒子速度方向与磁10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，轨道半径变为原来的四分之一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，AC 错.由r=qmv T= 错知知，磁感应强度加

13、倍时，轨道半径减半、周期减半，故B D 正确.4. （带电物体在匀强磁场中的运动）光滑绝缘杆与水平面保持0角，磁感应强度为B的匀强磁场充满整个空间， 一个带正电q、质量为m可以自由滑动的小环套在杆上，如图 7 所示, 小环下滑过程中对杆的压力为零时，小环的速度为.解析 以带电小环为研究对象，受力如图所示答案mgcos0qBf=mgcos0 ,f=qvB” +mgcos0解得v=弋厂.40 分钟课时作业操千曲而后晓声观千劃而后识器题组一对洛伦兹力方向的判定1.在以下X XX图 7X XX11A.1 带正电C.2 不带电 答案 ACD解析根据左手定则，带正电的粒子左偏，即1;不偏转说明不带电，即2

14、;带负电的粒子向右偏，即 3，因此答案为 A、C D.题组二对洛伦兹力特点及公式的应用3. 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.4.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

15、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，粒子动能不变答案 ABD2. 一束混合粒子流从一发射源射出后，进入如图1 所示的磁场中，分离为1、2、3 三束，则F 列判断正确的是（B.1 带负电D.3 带负电X X X X X KX X K X X XX X X X X XBX X X X X XAF垂宜紙瓦向外D图 112C. 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

16、受到的电场力F=qE,只与电场有关，与粒子的运动状态无关，做功的正负由0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F=qvBsin0，其大小除与运动状态有关，还与0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.5.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

17、动能为 氐当在带电平行板间再加入一个垂直纸面向里的如图2 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（ ）A.EkEE&,W0137.如图3所示是在匀强磁场中观察到的粒子的轨迹，a和b是轨迹上的两点，匀强磁场B垂直于纸面向里.该粒子在运动时，其质量和电荷量不变，而动能逐渐减少，下列说法正确的是（）A. 粒子先经过a点，再经过b点B. 粒子先经过b点，再经过a点C. 粒子带负电D. 粒子带正电答案 ACmv解析 由于粒子的速率减小，由r=qB知，轨道半径不断减小，所以A 对，B 错；由左手定则得粒子应带负电，C 对，D 错.8.图 4 为某磁谱仪部分构

18、件的示意图 .图中，永磁铁提供匀强磁场，硅微条径迹探测器可以 探测粒子在其中运动的轨迹 .宇宙射线中有大量的电子、 正电子和质子.当这些粒子从上部垂 直进入磁场时，下列说法正确的是（）永解析 磁场力即洛伦兹力，不做功，故 W= 0, 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圆周运动6.质子（p）和a粒子以相同的速率在同一匀强磁场中做匀速圆周运动，轨道半径分别为RPTa.则下列选项正确的是（A.R?: Ra =1:2,TP:Ta=1:2B.R?:Ra=1：1,TP:Ta=1:1CR : R=1：1,T?:Ta=1:2D

19、R : R=1:2,Tp:Ta=1:1解析2,mv亠mv十由qvB= ，有R=,，而na= 4m,q“= 2qp,故R：= 1 : 2,又T=2nm丄, 不，故TP：Ta=1 : 2.故 A 正确.和Ra，周期分别为Tp和答案A14:硅徹条軽i；迹探测蹲:铁图 4A. 电子与正电子的偏转方向一定不同B. 电子与正电子在磁场中运动轨迹的半径一定相同C. 仅依据粒子运动轨迹无法判断该粒子是质子还是正电子D. 粒子的动能越大，它在磁场中运动轨迹的半径越小答案 AC解析电子、正电子和质子垂直进入磁场时，所受的重力均可忽略，受到的洛伦兹力的方向与其电性有关，由左手定则可知A 正确.由轨道公式r=冒；知，

20、若电子与正电子进入磁场时的速度不同，则其运动轨迹的半径也不相同，故B 错误.由r=2mE知，D 错误.因Bq Bq质子和正电子均带正电， 且运动轨迹的半径大小无法计算出，故依据粒子运动轨迹无法判断ii该粒子是质子还是正电子，C 正确9.如图 5 所示，MN为铝质薄平板，铝板上方和下方分别有垂直于图示平面的匀强磁场（未画出）.一带电粒子从紧帖铝板上表面的P点垂直于铝板向上射出，从Q点穿越铝板后到达PQ的中点Q已知粒子穿越铝板时，其动能损失一半，速度方向和电荷量不变不计重力铝板A.2 B. 2 C.1 D.答案 D=mv则&芈由洛伦兹力提供向心力，即qvB=密,口mv,卄宀一_R2 十,B

21、iViRz2心得 R=,，由题意可知-=，所以-=-=，故选项 D 正确qBR2iB2v2Rl2题组四 带电物体在磁场中的运动问题io.带电油滴以水平速度vo垂直进入磁场，恰做匀速直线运动，如图6 所示，若油滴质量为m磁感应强度为B,则下述说法正确的是（）X X X XBX X X XO先X X X XX X X X图 6A. 油滴必带正电荷，电荷量为 器B. 油滴必带正电荷，比荷9= %m voBC. 油滴必带负电荷，电荷量为 卬貞答案 A解析 油滴水平向右匀速运动， 其所受洛伦兹力必向上，且与重力平衡，故带正电，其电荷mg上方和下方的磁感应强度大小之比为解析设带电粒子在P点时初速度为Vi,

22、从Q点穿过铝板后速度为2V2，贝UEi=-mv；Ek2=1212mv，由题意可知Ei= 2 氐，即mvD.油滴带什么电荷都可以，只要满足mgq=vB16量q=VoB，A 正确11.如图 7 所示，在竖直平面内放一个光滑绝缘的半圆形轨道，水平方向的匀强磁场与半圆形轨道所在的平面垂直 一个带负电荷的小滑块由静止开始从半圆轨道的最高点M下滑到最右端，则下列说法中正确的是（）A. 滑块经过最低点时的速度比磁场不存在时大B. 滑块从M点到最低点的加速度比磁场不存在时小C. 滑块经过最低点时对轨道的压力比磁场不存在时小D. 滑块从M点到最低点所用时间与磁场不存在时相等答案 D解析 由于洛伦兹力不做功，故与磁场不存在时相比， 滑块经过最低点时的速度不变，选项2A 错误；由a=R,与磁场不存