高中物理第三章磁场5运动电荷在磁场中受到的力课件新人教版

第三章

磁场5运动电荷在磁场中受到的力学习目标

1.知道什么是洛伦兹力，会用左手定则判断洛伦兹力的方向.2.掌握洛伦兹力公式的推导过程，会计算洛伦兹力的大小.3.知道电视显像管的基本构造及工作的基本原理.内容索引知识探究题型探究达标检测知识探究1一、电势差导学探究如图1所示，电子由阴极向阳极运动(向右运动)过程中发生了向下偏转，试问：(1)什么力使电子在运动过程中向下偏转？该力的方向如何？洛伦兹力向下答案图1(2)电子运动轨迹附近的磁场方向如何？电子所受洛伦兹力与磁场方向、电子运动方向存在什么关系？磁场方向向里，电子所受洛伦兹力与磁场方向垂直，与电子运动方向垂直，满足左手定则.答案知识梳理1.洛伦兹力：

在磁场中受到的力.2.洛伦兹力的方向(1)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

从掌心进入，并使四指指向

，这时拇指所指的方向就是正电荷所受

的方向.负电荷受力的方向与正电荷受力的方向

.(2)特点：F⊥B，F⊥v，即F垂直于

决定的平面.运动电荷磁感线正电荷运动的方向洛伦兹力相反B和v即学即用判断下列说法的正误.(1)运动电荷在磁场中一定受洛伦兹力.()(2)正电荷所受的洛伦兹力的方向与磁场方向相同，负电荷所受的洛伦兹力的方向与磁场方向相反.()(3)判断负电荷所受洛伦兹力方向时，让磁感线从掌心穿入，四指指向负电荷运动的反方向，则大拇指所指方向即为负电荷受洛伦兹力的方向.(

)××√二、洛伦兹力的大小导学探究如图2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且定向运动的速率都是v

.(1)导线中的电流是多少？导线在磁场中所受安培力多大？答案图2I＝nqvS

F安＝ILB＝nqvSLB(2)长为L的导线中含有的自由电荷数为多少？每个自由电荷所受洛伦兹力多大？答案1.洛伦兹力与安培力的关系(1)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

表现.而洛伦兹力是安培力的

本质.(2)洛伦兹力对电荷不做功，但安培力却可以对导体做功.2.洛伦兹力的大小：F＝qvBsin

θ，θ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＝

；(2)当电荷运动方向与磁场方向平行时：F＝

；(3)当电荷在磁场中静止时：F＝

.知识梳理宏观微观qvB00即学即用判断下列说法的正误.(1)同一电荷，以相同大小的速度进入磁场，速度方向不同时，洛伦兹力的大小也可能相同.(

)(2)若电荷的速度方向与磁场平行，则电荷不受洛伦兹力.(

)(3)洛伦兹力同电场力一样，可对运动电荷做正功或负功.(

)√√×三、电视显像管的工作原理导学探究如图3为电视显像管的工作原理图，从图中(俯视图)可以看出，没有磁场时电子束打在荧光屏正中的O点.为使电子束偏转，由安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场.(1)如果要使电子束打在荧光屏上的A点，磁场应该沿什么方向？垂直纸面向外.答案图3(2)如果要使电子束打在B点，磁场应该沿什么方向？垂直纸面向里.答案(3)如果要使电子束打在荧光屏上的位置由B逐渐向A点移动，磁场应该怎样变化？先垂直纸面向里，使磁感应强度逐渐减弱，然后再反向逐渐增强.答案知识梳理电视机显像管的构造和原理(1)电视机显像管由电子枪、

和荧光屏组成.(2)电视机显像管利用了

的原理.(3)在偏转区的水平方向和竖直方向都有偏转磁场，其方向、强弱都在不断变化，因此电子束打在荧光屏上的光点不断移动，这在电视技术中叫做

.偏转线圈电子束磁偏转扫描即学即用如图4所示是电视机中偏转线圈的示意图，圆心O处的黑点表示电子束；由纸内向纸外而来，当线圈中通以图示方向的电流时(两线圈通过的电流都相同)，则电子束将_______偏转.向上图42题型探究一、洛伦兹力的大小和方向例1如图5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5答案解析解析特别提醒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.当v⊥B时，洛伦兹力F＝qvB，当v∥B时，F＝0，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.二、带电粒子在磁场中的直线运动1.带电粒子在匀强磁场中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.速度选择器的工作原理(1)装置及要求如图6，两极间存在匀强电场和匀强磁场，二者方向互相垂直，带电粒子从左侧射入，不计粒子重力.图6(2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是qE＝qvB，即v＝

(3)速度选择器的特点①v的大小等于E与B的比值，即v＝

.可知速度选择器只对选择的粒子速度有要求，而对粒子的质量、电荷量大小及带电正、负无要求.②当v＞

时，粒子向F洛方向偏转，F电做负功，粒子的动能减小，电势能增大.③当v＜

时，粒子向F电方向偏转，F电做正功，粒子的动能增大，电势能减小.例2

(多选)在图7中虚线所示的区域存在匀强电场和匀强磁场.取坐标如图所示，一带电粒子沿x轴正方向进入此区域，在穿过此区域的过程中运动方向始终不发生偏转，不计重力的影响，电场强度E和磁感应强度B的方向可能是A.E和B都沿x轴方向B.E沿y轴正向，B沿z轴正向C.E沿z轴正向，B沿y轴正向D.E、B都沿z轴方向答案√解析√图7本题没有说明带电粒子的带电性质，为便于分析，假定粒子带正电.A选项中，磁场对粒子作用力为零，电场力与粒子运动方向在同一直线上，运动方向不会发生偏转，故A正确；B选项中，电场力方向向上，洛伦兹力方向向下，当这两个力平衡时，粒子运动方向可以始终不变，B正确；C选项中，电场力、洛伦兹力都沿z轴正方向，将做曲线运动，C错；D选项中，电场力沿z轴方向，洛伦兹力沿y轴方向，两力不可能平衡，粒子将做曲线运动，D错.如果粒子带负电，仍有上述结果.针对训练1一个带正电的微粒(重力不计)穿过如图8所示的匀强磁场和匀强电场区域时，恰能沿直线运动，则欲使微粒向下偏转时应采用的方法是A.增大电荷质量B.增大电荷量C.减小入射速度D.增大磁感应强度微粒在穿过这个区域时所受的力为：竖直向下的电场力Eq和竖直向上的洛伦兹力qvB，且此时Eq＝qvB.若要使微粒向下偏转，需使Eq＞qvB，则减小速度v、减小磁感应强度B或增大电场强度E均可.答案√解析图8三、带电体在匀强磁场中的运动问题例3一个质量为m＝0.1g的小滑块，带有q＝5×10－4

C的电荷量，放置在倾角α＝30°的光滑斜面上(绝缘)，斜面固定且置于B＝0.5T的匀强磁场中，磁场方向垂直纸面向里，如图9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10m/s2).求：(保留两位有效数字)(1)小滑块带何种电荷？图9

答案解析负电荷小滑块在沿斜面下滑的过程中，受重力mg、斜面支持力FN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)小滑块离开斜面时的瞬时速度多大？答案解析3.5m/s(3)该斜面长度至少多长？答案解析1.2m总结提升分析带电体在磁场中运动应注意的问题1.注意受力情况和运动情况的分析.带电体在磁场中速度变化时洛伦兹力的大小随之变化，并进一步导致压力、摩擦力的变化，物体在变力作用下将做变加速运动.2.注意规律的选用和临界状态分析.分析带电体的运动，注意利用牛顿运动定律和平衡条件分析各物理量的动态变化.该题中支持力为零是物体将要离开接触面的临界状态.针对训练2如图10所示，a为带正电的小物块，b是一不带电的绝缘物块(设a、b间无电荷转移)，a、b叠放于粗糙的水平地面上，地面上方有垂直于纸面向里的匀强磁场.现用水平恒力F拉b物块，使a、b一起无相对滑动地向左做加速运动，则在加速运动阶段A.a对b的压力不变B.a对b的压力变大C.a、b物块间的摩擦力变大D.a、b物块间的摩擦力不变图10答案√解析a、b整体受总重力、拉力F、向下的洛伦兹力qvB、地面的支持力FN和摩擦力Ff，竖直方向有FN＝(ma＋mb)g＋qvB，水平方向有F－Ff＝(ma＋mb)a，Ff＝μFN.在加速阶段，v增大，FN增大，Ff增大，加速度a减小.对a受力分析，a受重力mag、向下的洛伦兹力qvB、b对a向上的支持力FN′、b对a向左的静摩擦力Ff′，竖直方向：FN′＝mag＋qvB，水平方向：Ff′＝maa.随着v的增大，FN′增大，选项A错误，B正确；加速度a在减小，所以a、b物块间的摩擦力变小，选项C、D均错误.达标检测31.下图中，电荷的速度方向、磁场方向和电荷的受力方向之间关系正确的是123答案√解析选项A、B中电荷速度方向与磁感线方向平行，不受洛伦兹力，故选项A、B错误；由左手定则知C选项正确；选项D中负电荷受洛伦兹力向上，故D错误.2.(多选)如图11所示为速度选择器装置，场强为E的匀强电场与磁感应强度为B的匀强磁场互相垂直.一带电量为＋q，质量为m的粒子(不计重力)以速度v水平向右射入，粒子恰好沿直线穿过，则下列说法正确的是A.若带电粒子带电量为＋2q，粒子将向下偏转B.若带电粒子带电量为－2q，粒子仍能沿直线穿过C.若带电粒子速度为2v，粒子不与极板相碰，则从

右侧射出时电势能一定增加D.若带电粒子从右侧水平射入，粒子仍能沿直线穿过答案√解析图11√123粒子恰好沿直线穿过，电场力和洛伦兹力均垂直于速度，故合力为零，粒子做匀速直线运动；根据平衡条件，有：qvB