人教版(新教材)高中物理选择性必修2学案4：1 2磁场对运动电荷的作用力

人教版(新教材)高中物理选择性必修第二册PAGEPAGE11.2磁场对运动电荷的作用力〖学习目标〗1．通过实验探究，感受磁场对运动电荷有力的作用。2．知道什么是洛伦兹力，会用左手定则判断洛伦兹力的方向。3．了解洛伦兹力公式的推导过程，会用公式分析求解洛伦兹力。4．了解电视显像管的基本构造和工作原理。〖新知探究〗一、洛伦兹力的方向1.定义：运动电荷在磁场中受到的磁场力叫洛伦兹力。2.磁场对运动电荷是否有力的作用磁场对运动电荷会产生力的作用磁场对运动电荷的作用力方向与磁场方向有关磁场对运动电荷的作用力大小与磁感应强度有关洛伦兹力定义：磁场对运动电荷的作用力叫做洛伦兹力。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。3.洛伦兹力方向的判断左手定则：（1）伸开左手，使拇指与其余四指垂直，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。（2）若四指指向负电荷运动的反方向,那么拇指所指的方向就是负电荷所受洛伦兹力的方向。判断洛伦兹力方向的步骤：（1）电流方向和电荷运动方向的关系。（2）F安的方向和洛伦兹力方向的关系。（3）电荷运动方向、磁场方向和洛伦兹力方向的关系。4.洛伦兹力的特点：（1）洛伦兹力的方向既垂直于磁场方向，又垂直于速度方向，即垂直于磁场和速度所组成的平面。（2）洛伦兹力对电荷不做功，即不改变速度的大小，只改变速度的方向。二、洛伦兹力的大小1.洛伦兹力大小的推导有一通电直导线长为l，横截面积为S，电流为I，导线中单位体积的自由电荷数为n，每个自由电荷的电量为q，运动速率为v，向放入磁感应强度为B的匀强磁场中。导体受到的安培力：F=BIlI的微观表达式：I=eq\f(Q,t)=eq\f(nSvtq,t)=nqSv自由电荷数：N=nlS每个自由电荷所受的洛伦兹力大小：F=F当运动电荷的速度v方向与磁感应强度B方向的夹角为θ，电荷所受的洛伦兹力大小为：F＝Bqvsin_θ，即磁场对静止电荷没有力的作用。（1）当带电粒子的运动方向与磁场方向平行时，洛伦兹力最小——F=0。（2）当带电粒子的运动方向与磁场方向垂直时，洛伦兹力F最大。实验表明：磁场越强（磁感强度越大）、电荷量越大、运动速度越快，电荷受到的洛伦兹力越大。当电荷运动方向跟磁场方向垂直时洛伦兹力的大小跟三个因素相关：磁感应强度B，电荷量q，电荷运动快慢v。洛仑兹力：F=qvB(v垂直B）（3）当带电粒子的运动方向与磁场方向有一定方向时，洛伦兹力——F=qvBsinB、v夹角对洛伦兹力的影响：①当θ＝90°时，v⊥B，sinθ＝1，F洛＝qvB，即运动方向与磁场垂直时，洛伦兹力最大。②当v∥B时，θ＝0°，sinθ＝0，F洛＝0，即运动方向与磁场平行时，不受洛伦兹力。③若不垂直，F洛＝qvBsinθ。洛伦兹力与安培力的关系：①安培力是洛伦兹力的集体表现，洛伦兹力是安培力微观表现。②大小关系：F安＝NF洛（N是导体中运动的电荷数）③方向关系：F安与F洛方向相同④F安与F洛本质都是磁场对运动电荷的作用力⑤洛伦兹力总不做功，而安培力可以做功。2.洛伦兹力和电场力的区别：（1）电荷在电场中一定受到电场力的作用,与其运动状态无关；而电荷在磁场中不一定受到磁场力作用,只有相对于磁场运动且运动方向与磁场方向不平行的电荷才受磁场力作用。大小：F电＝Eq，F洛=Bqvsinθ。（2）电荷所受电场力方向总是平行于电场线的切线方向；而电荷所受磁场力的方向总是既垂直于磁场方向，又垂直于运动方向。（3）电场力要对运动电荷做功（电荷在等势面上运动除外）；而电荷在磁场中运动时，磁场力一定不会对电荷做功。洛伦兹力电场力性质磁场对在其中运动的电荷的作用力电场对放入其中电荷的作用力产生条件v≠0且v不与B平行电场中无论电荷处于何种状态F≠0大小F＝qvB(v⊥B)F＝qE方向满足左手定则F⊥B、F⊥v正电荷受力方向与电场方向相同，负电荷受力方向与电场方向相反做功情况任何情况下都不做功可能做正功、负功，也可能不做功作用效果只改变电荷运动的速度方向，不改变速度大小既可以改变电荷运动的速度大小，也可以改变电荷运动的方向三、电子束的磁偏转电视显像管的工作原理1.主要构造:电子枪（阴极）、偏转线圈、荧光屏等2.电视显像管原理：阳极发射电子，经过偏转线圈，偏转线圈产生的磁场和电子运动方向垂直，电子受洛伦兹力作用发生偏转，偏转后打在荧光屏上，使其发光。3.扫描在偏转区的水平和竖直方向都加有偏转磁场，其方向、强弱都在不断变化，因此电子束打在荧光屏上的点也在不断移动，这在电视技术中称为扫描。〖典例精析〗例1．在下列四个选项中，正确标明了带正电粒子所受洛伦兹力F方向的是()例2．关于安培力和洛伦兹力，下列说法正确的是()A．安培力和洛伦兹力是性质不同的两种力B．安培力可以对通电导线做功，洛伦兹力对运动电荷一定不做功C．运动电荷在某处不受洛伦兹力作用，则该处的磁感应强度一定为零D．洛伦兹力既不能改变带电粒子的动能，也不能改变带电粒子的运动状态例3．如图所示，一个带正电荷量为q的小带电体处于垂直纸面向里的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B，若小带电体的质量为m，为了使它对水平绝缘面正好无压力，应该()A．使B的数值增大 B．使磁场以速率v＝eq\f(mg,qB)向上移动C．使磁场以速率v＝eq\f(mg,qB)向右移动 D．使磁场以速率v＝eq\f(mg,qB)向左移动例4．为了测量某化肥厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计。该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c，左右两端开口，在垂直于上下表面方向加磁感应强度为B的匀强磁场，在前后两个内侧面固定有金属板作为电极，污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U。若用Q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积)，下列说法正确的是()A．若污水中正离子较多，则前内侧面比后内侧面电势高B．前内侧面的电势一定低于后内侧面的电势，与哪种离子多无关C．污水中离子浓度越高，电压表的示数将越大D．污水流量Q与电压U成正比，与a、b有关〖随堂演练〗1．一束混合粒子流从一发射源射出后，进入如图所示的磁场，分离为1、2、3三束粒子流，则下列选项不正确的是()A．1带正电B．1带负电C．2不带电D．3带负电2．两个带电粒子以相同的速度垂直磁感线方向进入同一匀强磁场，两粒子质量之比为1∶4，电荷量之比为1∶2，则两带电粒子受洛伦兹力之比为()A．2∶1B．1∶1C．1∶2D．1∶43．运动电荷在磁场中发生偏转，说明磁场对运动电荷有力的作用。将阴极射线管的两极与高压电源连接后，加上如图所示的磁场，可观察到从负极向右射出的高速电子流(电子带负电)的偏转情况是()A．平行纸面向上偏转 B．平行纸面向下偏转C．垂直纸面向里偏转 D．垂直纸面向外偏转4．如图所示，在两水平极板间存在匀强电场和匀强磁场，电场方向竖直向下，磁场方向垂直于纸面向里，一带电粒子以某一速度沿水平直线通过两极板。若不计重力，下列四个物理量中哪一个改变时，粒子运动轨迹不会改变？()A．粒子速度的大小 B．粒子所带的电荷量C．电场强度 D．磁感应强度5．〖多选〗目前世界上一种新型发电机叫磁流体发电机，它的发电原理如图所示，将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量带正电和负电的粒子，从整体来说呈中性)沿图中所示方向喷射入磁场，磁场中有两块金属板P、Q，这时金属板上就聚集了电荷。下列说法正确的是()A．P板带正电B．有电流从b经用电器流向aC．金属板P、Q间的电场方向向上D．等离子体发生偏转的原因是粒子所受洛伦兹力大于所受电场力

▁▃▅▇█参*考*答*案█▇▅▃▁〖典例精析〗例1．〖答案〗D〖解析〗根据左手定则可知，A项中洛伦兹力方向应该垂直纸面向里，故A错误；B项中洛伦兹力方向应该是垂直纸面向外，故B错误；C项中洛伦兹力方向应该竖直向下，故C错误；D项中洛伦兹力方向应该竖直向上，故D正确。例2．〖答案〗B〖解析〗安培力和洛伦兹力都是磁场力，A错误；洛伦兹力方向永远与电荷运动方向垂直，所以洛伦兹力不做功，安培力是洛伦兹力的宏观表现，它虽然对引起电流的定向移动的电荷不做功，但对导线可以做功，B正确；电荷的运动方向与磁感线方向平行时，洛伦兹力为零，但B不为零，C错误；洛伦兹力不改变带电粒子的速度大小，但改变速度的方向，D错误。例3．〖答案〗D〖解析〗为使小带电体对绝缘面无压力，则应使它受到的洛伦兹力刚好平衡重力，磁场不动而只增大B，小带电体在磁场里不受洛伦兹力，故A错误；磁场向上移动相当于小带电体向下运动，受洛伦兹力向右，不能平衡重力，故B错误；磁场以速率v向右移动，等同于小带电体以速率v向左运动，此时洛伦兹力向下，也不能平衡重力，故C错误；磁场以速率v向左移动，等同于小带电体以速率v向右运动，此时洛伦兹力向上，由平衡条件可知，当qvB＝mg时，带电体对水平绝缘面无压力，此时v＝eq\f(mg,qB)，故D正确。例4．〖答案〗B〖解析〗由左手定则可判断：若流动的是正离子，则正离子向里偏，前内侧面电势低于后内侧面电势；若流动的是负离子，则负离子向外偏，仍然是前内侧面电势低于后内侧面的电势，故A错误，B正确。污水稳定流动时，对任一离子，有qvB＝qE＝eq\f(qU,b)，所以U＝Bbv，电势差与离子浓度无关，故C错误。流量Q＝Sv＝bc·eq\f(U,Bb)＝eq\f(cU,B)，可以看出流量与a、b均无关，故D错误。〖随堂演练〗1．〖答案〗B〖解析〗根据左手定则，带正电的粒子向左偏，即粒子1带正电；不偏转说明不带电，即粒子2不带电；带负电的粒子向右偏，即粒子3带负电。故选项B不正确。2．〖答案〗C〖解析〗带电粒子的速度方向与磁感线方向垂直时，洛伦兹力F＝qvB，与电荷量成正比，与质量无关，C项正确。3．〖答案〗D〖解析〗电子流受到洛伦兹力作用发生偏转，电子流带负电，应用左手定则判断洛伦兹力时，四指应指向电子流运动的反方向，磁感线垂直穿过掌心，则拇指垂直于纸面向外，故电子流垂直纸面向外偏转，所以选项D正确。4．〖答案〗B〖解析〗带电粒子在电场和磁场中做匀速直线运动，由平衡条件知qE＝qvB，同时消除q，可以看出，带电粒子在电场和磁场中运动