《磁场对运动电荷的作用力》 教学课件1

2.磁场对运动电荷的作用力内容索引0102课前篇自主预习课堂篇探究学习学习目标思维导图1.通过实验,认识洛伦兹力。(科学探究)2.能判断洛伦兹力的方向。(科学思维)3.会计算洛伦兹力的大小。(科学思维)课前篇自主预习必备知识一、洛伦兹力的方向1.洛伦兹力运动电荷在磁场中受到的力。2.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;让磁感线从掌心垂直进入,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。想一想当带电粒子带负电时,如何应用左手定则?提示

让四指指向负电荷运动方向的反方向。

二、洛伦兹力的大小1.安培力与洛伦兹力的关系电荷定向移动时所受洛伦兹力的矢量和,在宏观上表现为通电导线在磁场中受到的安培力。2.电荷在磁场中受到洛伦兹力需要满足的条件只有电荷的运动方向与磁场方向有一定夹角时才会受到洛伦兹力。3.洛伦兹力的计算公式F=qvBsinθ,其中q为电荷的电荷量,单位为库仑(C);v为电荷运动的速度,单位为米每秒(m/s);B为磁场的磁感应强度,单位为特斯拉(T);θ为电荷运动的方向与磁感应强度方向的夹角。

三、电子束的磁偏转1.电视机显像管的构成由电子枪、偏转线圈和荧光屏构成。2.原理(1)电子枪发射电子。(2)电子束在磁场中偏转。(3)荧光屏被电子束撞击发光。3.电子束在荧光屏上的移动规律(1)电子束在荧光屏上从左至右扫描一行之后迅速返回,再做下一行扫描,直到荧光屏的下端。(2)电子束从最上一行到最下一行扫描一遍叫作一场。电视机中的显像管每秒要进行50场扫描。由于人的“视觉暂留”,我们感到整个荧光屏都在发光。自我检测1.判断正误,判断结果为错误的小题请说明原因。(1)运动电荷在磁感应强度不为零的地方,一定会受到洛伦兹力的作用。(

)解析

若运动电荷的运动方向与磁感应强度方向平行,则电荷受到的洛伦兹力为零。答案

×(2)运动电荷在某处不受洛伦兹力的作用,则该处的磁感应强度一定为零。(

)解析

若运动电荷在某处不受洛伦兹力的作用,则可能是电荷的运动方向与磁场的方向平行,也可能是磁感应强度为零。答案

×(3)用左手定则判断洛伦兹力方向时,“四指的指向”与电荷定向移动方向相同。(

)解析

用左手定则判断洛伦兹力方向时,“四指的指向”与正电荷定向移动的方向一致,与负电荷定向移动的方向相反。答案

×(4)电视机显像管是靠磁场使电子束发生偏转的。(

)解析

电视机显像管中电子束是在磁场的洛伦兹力作用下发生偏转的。答案

√2.下列说法正确的是(

)A.根据F=qvB可得B=,磁感应强度等于运动电荷垂直于磁场运动时所受磁场力和电荷量与速度之积的比值B.根据F=qvB可得B=,磁感应强度与运动电荷垂直于磁场运动时所受磁场力成正比,与电荷量与速度之积成反比C.洛伦兹力和安培力都不做功D.静止电荷在磁场中不受力,运动电荷在磁场中一定受力解析

磁场中某点磁感应强度大小取决于磁场本身,与运动电荷的受力、电荷量和速度无关,选项A正确,B错误;洛伦兹力始终与速度垂直,不做功,安培力可以对导体棒做功,选项C错误;若运动电荷的运动方向与磁场方向平行,则不受洛伦兹力作用,选项D错误。答案

A课堂篇探究学习探究一洛伦兹力的方向情境探究如图所示,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的影响。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?要点提示

左手定则。

知识归纳1.决定洛伦兹力方向的三个因素电荷的电性(正、负)、速度方向、磁感应强度的方向是决定洛伦兹力方向的三个要素。当电性一定时,其他两个因素决定洛伦兹力的方向,如果只让一个因素相反,则洛伦兹力方向必定相反;如果同时让两个因素相反,则洛伦兹力方向将不变。2.F、B、v三者方向间的关系(1)电荷运动方向和磁场方向间没有因果关系,B与v不一定垂直,两者关系是不确定的。(2)电荷运动方向和磁场方向确定洛伦兹力方向。(3)F⊥B,F⊥v,即F垂直于B和v所决定的平面。洛伦兹力与粒子运动方向、磁感应强度方向的关系

3.洛伦兹力的特点(1)洛伦兹力的方向随电荷运动方向的变化而变化。但无论怎样变化,洛伦兹力都与运动方向垂直。(2)洛伦兹力永不做功,它只改变电荷的运动方向,不改变电荷的速度大小。要点笔记

确定洛伦兹力的方向需明确运动电荷的电性,特别注意左手四指的指向应与负电荷的运动方向相反;当v与B不垂直时,要对磁场或速度进行分解。实例引导例1

如图所示的磁感应强度B、电荷的运动速度v和电荷所受洛伦兹力F的相互关系图中,画得正确的是(其中B、F、v两两垂直)(

)解析

由于B、F、v两两垂直,根据左手定则得A、B、D选项中电荷所受的洛伦兹力都与图示F的方向相反,故A、B、D错误,C正确。答案

C规律方法

用左手定则判断洛伦兹力方向时,要特别注意以下关系:变式训练

1(多选)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电性的判断正确的是(

)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图中洛伦兹力方向竖直向上,B图中洛伦兹力方向垂直纸面向里,C图中粒子带正电,D图中洛伦兹力方向垂直纸面向外,故A、B、D正确,C错误。答案

ABD探究二洛伦兹力的大小情境探究如图所示,磁场的磁感应强度为B,磁场中有一段通电导线,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且定向运动的速率都是v。(1)图中一段长度为vt的导线中的自由电荷数是多少?导线中的电流为多大?(2)图中一段长度为vt的导线在磁场中所受安培力多大?(3)每个自由电荷所受洛伦兹力多大?知识归纳1.洛伦兹力与安培力的关系

分类洛伦兹力安培力区别洛伦兹力是指单个运动的带电粒子所受到的磁场力安培力是指通电直导线所受到的磁场力洛伦兹力不做功安培力可以做功联系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本质;②大小关系:F安=NF洛(N是导体中定向运动的电荷数);③方向关系:洛伦兹力与安培力均可用左手定则进行判断2.洛伦兹力大小的理解要点洛伦兹力:F=qvBsinθ,θ为电荷运动的方向与磁场方向的夹角。(1)当θ=90°时,即电荷运动方向与磁场方向垂直时,洛伦兹力最大,F=qvB。(2)当θ=0°或θ=180°时,即电荷运动方向与磁场方向平行时,F=0。(3)当v=0,即电荷在磁场中静止时,F=0。实例引导例2

如图所示,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,所带电荷量均为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。解析

(1)因v⊥B,所以F=qvB,方向垂直于v指向左上方。(2)v与B的夹角为30°,将v分解成垂直于磁场的分量和平行于磁场的分量,v⊥=vsin

30°,F=qvBsin

30°=qvB,方向垂直于纸面向里。(3)由于v与B平行,所以洛伦兹力为零。(4)v与B垂直,F=qvB,方向垂直于v指向左上方。答案

(1)qvB

垂直于v指向左上方(2)

qvB

垂直于纸面向里(3)0(4)qvB

垂直于v指向左上方规律方法

计算洛伦兹力的大小时,应注意弄清v与磁感应强度B的方向关系。(1)当v⊥B时,洛伦兹力F=qvB;(2)当v∥B时,F=0;(3)当v与B成θ角(0°<θ<90°)时,应将v(或B)进行分解取它们垂直的分量计算。变式训练

2一初速度为零的质子,质量m=1.67×10-27kg,电荷量q=1.6×10-19

C,经过电压为1880V的电场加速后,垂直进入磁感应强度为5.0×10-4T的匀强磁场中,求质子所受洛伦兹力的大小。质子受到的洛伦兹力F=Bqv=4.8×10-17

N。

答案

4.8×10-17

N探究三带电粒子(物体)在磁场中的运动情境探究在两平行金属板间,有如图所示的互相正交的匀强电场和匀强磁场。α粒子(带正电)以速度v0从两极板的正中央垂直于电场方向和磁场方向射入,恰好能沿直线匀速通过。忽略重力,则:(1)若质子(带正电)以速度v0从两极板的正中央垂直于电场方向和磁场方向射入,质子将向哪偏转?(2)若电子以速度v0从两极板的正中央垂直于电场方向和磁场方向射入时,电子将向哪偏转?(3)若质子以大于v0的速度,沿垂直于电场方向和磁场方向从两极板正中央射入,质子将向哪偏转?(4)若增大匀强磁场的磁感应强度,其他条件不变,电子以速度v0沿垂直于电场和磁场的方向,从两极板正中央射入,电子将向哪偏转?要点提示

设带电粒子的质量为m,电荷量为q,匀强电场的电场强度为E、匀强磁场的磁感应强度为B。带电粒子以速度v0垂直射入互相正交的匀强电场和匀强磁场中时,若粒子带正电荷,则所受电场力方向向下,大小为qE;所受洛伦兹力方向向上,大小为qv0B。沿直线匀速通过时,有qv0B=qE,v0=,即与其质量、电荷量无关。如果粒子带负电荷,电场力方向向上,洛伦兹力方向向下,上述结论仍然成立。所以,(1)(2)两问中粒子均不偏转。若质子以大于v0的速度射入两极板之间,由于洛伦磁力F=Bqv(v>v0),洛伦兹力将大于电场力,质子带正电荷,将向上偏转。磁场的磁感应强度B增大时,电子射入的其他条件不变,所受洛伦兹力F=Bqv0也增大,电子带负电荷,所受洛伦兹力方向向下,将向下偏转。知识归纳1.带电粒子在匀强磁场中无约束情况下做直线运动的两种情景(1)速度方向与磁场平行,不受洛伦兹力作用,可做匀速直线运动也可在其他力作用下做变速直线运动。(2)速度方向与磁场不平行,且除洛伦兹力外的各力均为恒力,若轨迹为直线则必做匀速直线运动。带电粒子所受洛伦兹力也为恒力。2.洛伦兹力考查角度多,因而涉及洛伦兹力的题目往往较为综合,解题时可按以下步骤分析(1)确定研究对象,进行受力分析,注意带电粒子在匀强磁场中,若速度方向与磁场方向不平行,则受洛伦兹力。(2)根据已知条件,结合牛顿运动定律和运动学规律,列方程求解。(3)若涉及能量,可根据动能定理或能量守恒定律,列方程求解,同时注意洛伦兹力始终与带电粒子速度方向垂直,因而对带电粒子不做功。实例引导例3

如图所示,两个完全相同的带等量正电荷的小球a和b,从同一高度自由落下,分别穿过高度相同的水平方向的匀强电场和匀强磁场,落到地面上。(1)设两球运动所用的总时间分别为ta、tb,则(

)A.ta=tb

B.ta>tbC.ta<tb

D.条件不足,无法比较(2)小球落地时的动能Eka与Ekb相等吗?解析

分析两球在竖直方向上的受力和运动情况。(1)a球进入匀强电场后,始终受到水平向右的静电力F电=qE作用,这个力不会改变a在竖直方向运动的速度,故它下落的总时间ta与没有电场时自由下落的时间t0相同。b球以某一速度进入匀强磁场瞬间它就受到水平向右的洛伦兹力作用,这个力只改变速度方向,会使速度方向向右发生偏转,又因为洛伦兹力始终与速度方向垂直,当速度方向变化时,洛伦兹力的方向也发生变化,不再沿水平方向。如图为小球b在磁场中某一位置时的受力情况,从图中可以看出洛伦兹力F洛的竖直分量F1会影响小球竖直方向的运动,使竖直下落的加速度减小(小于g),故其下落的时间tb大于没有磁场时小球自由下落的总时间t0。综上所述,ta<tb。(2)设两球运动的竖直高度为h,a球运动的水平位移为x,则对a球:Eka=mgh+qEx,对b球:Ekb=mgh。则Eka>Ekb。答案

(1)C

(2)不相等

规律方法

洛伦兹力与电场力的比较

分类洛伦兹力电场力作用条件运动电荷的速度方向与B不平行时,运动电荷才受到洛伦兹力带电粒子只要处在电场中,就一定受到电场力大小方向F=qvBsin

θ,方向与B垂直,与v垂直,用左手定则判断F=qE,F的方向与E同向或反向特点洛伦兹力永不做功电场力可做正功、负功或不做功相同点反映了电场和磁场都具有能施加力的性质变式训练

3光滑绝缘杆与水平面保持θ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,受力情况如图所示。F=mgcos

θ,F=qvB随堂检测1.匀强磁场中,一个运动的带电粒子受到洛伦兹力F的方向如图所示,则该粒子所带电性和运动方向可能是(

)A.粒子带负电,向下运动B.粒子带正电,向左运动C.粒子带负电,向上运动D.粒子带正电,向右运动解析

根据左手定则,让磁感线穿过掌心,拇指指向F的方向,可判断出四指向上,这样存在两种可能:粒子带正电向上运动或粒子带负电向下运动,故A正确,C错误;而粒子若左右运动,则受力沿上下方向,故B、D错误,正确答案是A。答案

A2.在阴极射线管中电子流方向由左向右,其上方放置一根通有如图所示电流的直导线,导线与阴极射线管平行,则电子将(

)A.向上偏转

B.向下偏转C.向纸里偏转

D.向纸外偏转解析

由题图可知,直导线电流的方向由左向右,根据安培定则,可判定直导线下方的磁场方向为垂直于纸面向里,而电子运动方向由左向右,由左手定则知(电子带负电荷,四指要指向电子运动方向的反方向),电子将向下偏转,故B选项正确。答案

B3.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(

)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。根据左手定则可知A图中洛伦兹力方向向下,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图中受洛伦兹力方向垂直纸面向外