1.2磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力課件高二下學(xué)期物理人教版選擇性

1.2

磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力第一章

安培力與洛倫茲力

太陽發(fā)射出的帶電粒子以300～1000km/s的速度掃過太陽系，形成“太陽風(fēng)”。這種巨大的輻射經(jīng)過地球時(shí)，為什么不能直射地球？

我們知道，磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線有作用力；我們還知道，帶電粒子的定向移動(dòng)形成了電流。那么，磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有作用力嗎？如果有，力的方向和大小又是怎樣的呢？一、洛倫茲力的方向演示：觀察電子束在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)抽成真空的玻璃管左右兩個(gè)電極分別連接到高壓電源兩極時(shí)，陰極會(huì)發(fā)射電子。電子在電場(chǎng)的加速下飛向陽極。1、沒有磁場(chǎng)時(shí)，觀察電子束如何偏轉(zhuǎn)2、如果在電子束的路徑上施加磁場(chǎng)，電子束的徑跡是否會(huì)發(fā)生彎曲？如果改變磁場(chǎng)方向呢？實(shí)驗(yàn)表明：電子束受到磁場(chǎng)的力的作用，徑跡發(fā)生了彎曲。運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力稱為洛倫茲力一、洛倫茲力的方向?qū)嶒?yàn)表明：洛倫茲力的方向可以用左手定則判定。洛倫茲力的方向用左手定則判斷左手定則：伸開左手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi)；①讓磁感線從掌心垂直進(jìn)入，②并使四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向，③這時(shí)拇指所指的方向就是運(yùn)動(dòng)的正電荷在磁場(chǎng)中所受洛倫茲力的方向一、洛倫茲力的方向手掌垂直磁感線拇指正電荷受力方向四指正電荷運(yùn)動(dòng)方向正電荷運(yùn)動(dòng)方向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向洛倫茲一、洛倫茲力的方向試判斷下列圖中各帶電粒子所受洛倫茲力的方向、或帶電粒子的電性、或帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向。vF洛F洛B垂直于紙面向里運(yùn)動(dòng)BvBvF洛B+vBvB洛侖茲力垂直于紙面向外-F洛=0F洛=0一、洛倫茲力的方向F既與B垂直又與v垂直，即垂直于B和v所確定的平面，但B與v不一定垂直。Vv1v2VBBF+F+洛倫茲力對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)能起到什么作用？洛倫茲力對(duì)電荷不做功,只改變粒子速度的方向，不改變粒子速度的大小。二、洛倫茲力的大小

1．推導(dǎo)過程：

設(shè)有一段長(zhǎng)度為l的通電導(dǎo)線，橫截面積為S，導(dǎo)線每單位體積中含有的自由電荷數(shù)為n，每個(gè)自由電荷的電量為q，定向移動(dòng)的平均速率為v，將這段導(dǎo)線垂直于磁場(chǎng)方向放入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中。Q＝nqSL＝nqS·vt二、洛倫茲力的大小------------你能根據(jù)洛倫茲力與安培力關(guān)系，嘗試推導(dǎo)速度垂直入射磁場(chǎng)時(shí)受到的洛倫茲力的大小嗎？I=nqsvN=nLs每個(gè)自由電荷所受的洛倫茲力大?。篎=BILIF安F洛安培力洛倫茲力F安=N·F洛二、洛倫茲力的大小2．洛倫茲力與安培力的關(guān)系：分類洛倫茲力安培力區(qū)別洛倫茲力是指單個(gè)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子所受到的磁場(chǎng)力安培力是指通電直導(dǎo)線所受到的磁場(chǎng)力洛倫茲力不做功安培力可以做功聯(lián)系①安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn),洛倫茲力是安培力的微觀本質(zhì)。②大小關(guān)系:F安=NF洛(N是導(dǎo)體中定向運(yùn)動(dòng)的電荷數(shù))。③方向關(guān)系:洛倫茲力與安培力均可用左手定則進(jìn)行判斷二、洛倫茲力的大?。?）當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直時(shí)（v⊥B）:F＝qvB3．洛倫茲力的計(jì)算公式：

二、洛倫茲力的大小3．洛倫茲力的計(jì)算公式：

（2）當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向成θ時(shí)（v∥B）:vB11B┴vvv11┴二、洛倫茲力的大小F=qvBsinθ，

θ為電荷運(yùn)動(dòng)的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的夾角。(1)當(dāng)θ=90°時(shí)，即電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，

洛倫茲力最大：F=qvB。(2)當(dāng)θ=0°或θ=180°時(shí)，即電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)：F=0。(3)當(dāng)v=0，即電荷在磁場(chǎng)中靜止時(shí)：F=0。4．洛倫茲力大小的理解：二、洛倫茲力的大小(1)洛倫茲力的方向隨電荷運(yùn)動(dòng)方向的變化而變化。(2)無論磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與電荷運(yùn)動(dòng)的速度方向是否垂直，洛倫茲力的方向一定垂直于B和v所決定的平面。(3)洛倫茲力永不做功,它只改變電荷的運(yùn)動(dòng)方向,不改變電荷的速度大小。但安培力可以做功。5．洛倫茲力的特點(diǎn)：二、洛倫茲力的大小

洛倫茲力電場(chǎng)力產(chǎn)生條件(1)電荷相對(duì)于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)(2)運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向不平行只要電荷在電場(chǎng)中，就一定受到電場(chǎng)力的作用大

小F＝qvBsinθF＝qE受力方向垂直于B和v所決定的平面，但B和v不一定垂直沿著電場(chǎng)線的切線方向或反方向作用效果只改變電荷運(yùn)動(dòng)的速度方向，不改變速度大小既可以改變電荷運(yùn)動(dòng)的速度大小，也可以改變電荷運(yùn)動(dòng)的方向做功特點(diǎn)永不做功可做功，也可不做功6．洛倫茲力與電場(chǎng)力的比較：例題1：試判斷圖中的帶電粒子剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)所受的洛倫茲力的方向，其中垂直于紙面指向紙里的是(

)A

B

C

D解析：根據(jù)左手定則可以判斷，選項(xiàng)A中的負(fù)電荷所受的洛倫茲力方向向下；選項(xiàng)B中的負(fù)電荷所受的洛倫茲力方向向上；選項(xiàng)C中的正電荷所受的洛倫茲力方向垂直于紙面指向紙外；選項(xiàng)D中的正電荷所受的洛倫茲力方向垂直于紙面指向紙里，D正確。D例題2：如圖所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向垂直于紙面向外，質(zhì)量為m、帶電荷量為q的小球在傾角為α的光滑斜面上由靜止開始下滑。若帶電小球下滑后某個(gè)時(shí)刻對(duì)斜面的壓力恰好為零，問：(1)小球的帶電性質(zhì)如何？(2)此時(shí)小球下滑的速度和位移分別為多大？三、洛倫茲力的應(yīng)用顯像管的工作原理：（1）電視顯像管應(yīng)用了電子束磁偏轉(zhuǎn)的原理。（2）顯像管中有一個(gè)陰極，工作時(shí)它能發(fā)射電子，熒光屏被電子束撞擊就能發(fā)光。在偏轉(zhuǎn)區(qū)的水平方向和豎直方向都有偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其方向、強(qiáng)弱都在不斷地變化。1.電子束的磁偏轉(zhuǎn)三、洛倫茲力的應(yīng)用1.電子束的磁偏轉(zhuǎn)從圖中可以看出，沒有磁場(chǎng)時(shí)電子束打在熒光屏正中的O點(diǎn)。為使電子束偏轉(zhuǎn)，由安裝在管頸的偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。1.要使電子束在水平方向偏離中心，打在熒光屏上的A點(diǎn)，偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)應(yīng)該沿什么方向？2.要使電子束打在B點(diǎn)，磁場(chǎng)應(yīng)該沿什么方向？3.要使電子束打在熒光屏上的位置由B點(diǎn)逐漸向A點(diǎn)移動(dòng)，偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)應(yīng)該怎樣變化？垂直紙面向外垂直紙面向里先垂直紙面向外并逐漸減小,后垂直紙面向里并逐漸增大.三、洛倫茲力的應(yīng)用實(shí)際上，在偏轉(zhuǎn)區(qū)的水平方向和豎直方向都有偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其方向、強(qiáng)弱都在不斷變化，因此電子束打在熒光屏上的光點(diǎn)就像不斷移動(dòng)，這在顯示技術(shù)中叫作掃描（scanning）。1.電子束的磁偏轉(zhuǎn)電子束從最上一行到最下一行掃描一遍叫作一場(chǎng)，電視機(jī)中的顯像管每秒要進(jìn)行50場(chǎng)掃描，所以我們感到整個(gè)熒光屏都在發(fā)光。三、洛倫茲力的應(yīng)用2．速度選擇器：平行板中電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B互相垂直，這種裝置能把具有一定速度的粒子選擇出來，所以叫做速度選擇器。請(qǐng)思考它能選擇出來多大的速度的粒子？若qE=Bqv粒子將以速度v做勻速直線即若向上偏若向下偏粒子將以速度v做勻速直線若將粒子從右邊射入，粒子還能在速度選擇器中做勻速直線運(yùn)動(dòng)嗎？不僅選擇速度的大小，還選擇速度的方向。三、洛倫茲力的應(yīng)用3．磁流體發(fā)電機(jī)：等離子束

平行金屬板之間有一個(gè)很強(qiáng)的磁場(chǎng)，將一束等離子體（即高溫下電離的氣體，含有大量正、負(fù)帶電粒子）噴入磁場(chǎng)，電荷在洛倫茲力偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到兩金屬板，讓兩金屬板帶上等量異種電荷，這樣兩極板間便產(chǎn)生了電勢(shì)U,U會(huì)不斷增大嗎？BvvvvUqEBqv當(dāng)Bqv＝qE得：U＝Bdv三、洛倫茲力的應(yīng)用4．正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)：三、洛倫茲力的應(yīng)用極光（Aurora）是在地球南北兩極附近地區(qū)的高空，夜間出現(xiàn)的燦爛美麗的光輝。在南極被稱為南極光，在北極被稱為北極光。下面請(qǐng)欣賞極光美景。地球的極光是來自地球磁層或太陽的高能帶電粒子流（太陽風(fēng)）使高層大氣分子或原子激發(fā)（或電離）而產(chǎn)生。帶電粒子為什么只在地球的兩極或維度較高的地方引起極光？1.(洛倫茲力的大小）質(zhì)量為m、電荷量為q的微粒,以速度v與水平方向成45°角進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)同時(shí)存在的空間,如圖所示,微粒在電場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)的共同作用下做勻速直線運(yùn)動(dòng),求:(1)電場(chǎng)強(qiáng)度的大小和微粒所帶電荷的電性;(2)磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。解析:(1)微粒做勻速直線運(yùn)動(dòng),所受合力必為零,微粒受重力mg、電場(chǎng)力qE、洛倫茲力qvB,由此可知,微粒帶正電,受力如圖所示,qE=mg,2.(電子束的磁偏轉(zhuǎn))如圖所示,電子槍發(fā)射電子經(jīng)加速后沿虛線方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域(圖中圓內(nèi)),沿圖中實(shí)線方向射出磁場(chǎng),最后打在屏上P點(diǎn),則磁場(chǎng)的方向可能為(

)A.垂直于紙面向外 B.垂直于紙面向內(nèi)C.平行于紙面向上 D.平行于紙面向右答案:A解析:電子受到的洛倫茲力方向向上,根據(jù)左手定則可得磁場(chǎng)的方向可能垂直于紙面向外,A正確。3.（速度選擇器）如圖所示，從S處發(fā)出的熱電子經(jīng)加速電壓U加速后垂直進(jìn)入相互垂直的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，發(fā)現(xiàn)電子流向上極板偏轉(zhuǎn)，不考慮電子本身的重力。設(shè)兩極板間電場(chǎng)強(qiáng)度為E，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。欲使電子沿直線從電場(chǎng)和磁場(chǎng)區(qū)域通過，只采取下列措施，其中可行的是(

)A．適當(dāng)減小電場(chǎng)強(qiáng)度EB．適當(dāng)減小磁感應(yīng)強(qiáng)度BC．適當(dāng)增大加速電場(chǎng)的寬度D．適當(dāng)減小加速電壓U答案：A4.（磁流體發(fā)電機(jī)）如圖所示，磁流體發(fā)電機(jī)的極板相距d＝0.2m，極板間有垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，B＝1.0T。外電路中可變