嘉偉的電磁場(chǎng)的教案

一對(duì)一輔導(dǎo)備課表學(xué)生：蔡嘉偉年級(jí)：高二學(xué)科：物理教師：吳涵義教材版本魯科版課時(shí)統(tǒng)計(jì)第（）課時(shí)共（）課時(shí)上課類型□復(fù)習(xí)課□新課□試題解析課此次課時(shí)（2）課時(shí)本次上課內(nèi)容電磁場(chǎng)的安培力及洛倫茲力教學(xué)目標(biāo)熟悉的應(yīng)用右手定則及左手定則教學(xué)重點(diǎn)電流的方向的等效及左手定則的應(yīng)用教學(xué)難點(diǎn)計(jì)算洛倫磁力的圓心的判斷及安培力的方向的應(yīng)用教案第一課時(shí)：安培力及右手定則一、磁現(xiàn)象和磁場(chǎng)1、磁場(chǎng)：磁場(chǎng)是存在于磁體、運(yùn)動(dòng)電荷周圍的一種物質(zhì)．它的基本特性是：對(duì)處于其中的磁體、電流、運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用．2、磁現(xiàn)象的電本質(zhì)：所有的磁現(xiàn)象都可歸結(jié)為運(yùn)動(dòng)電荷之間通過(guò)磁場(chǎng)而發(fā)生的相互作用．二、磁感應(yīng)強(qiáng)度1、表示磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量．是矢量．2、大小：B=F/Il（電流方向與磁感線垂直時(shí)的公式）．3、方向：左手定則：是磁感線的切線方向；是小磁針N極受力方向；是小磁針靜止時(shí)N極的指向．不是導(dǎo)線受力方向；不是正電荷受力方向；也不是電流方向．4、單位：牛/安米，也叫特斯拉，國(guó)際單位制單位符號(hào)T．5、點(diǎn)定B定：就是說(shuō)磁場(chǎng)中某一點(diǎn)定了，則該處磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與方向都是定值．6、勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度處處相等．7、磁場(chǎng)的疊加:空間某點(diǎn)如果同時(shí)存在兩個(gè)以上電流或磁體激發(fā)的磁場(chǎng),則該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是各電流或磁體在該點(diǎn)激發(fā)的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量和,滿足矢量運(yùn)算法則.三、幾種常見(jiàn)的磁場(chǎng)（一）、磁感線⒈磁感線是徦想的，用來(lái)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行直觀描述的曲線，它并不是客觀存在的。⒉磁感線是閉合曲線⒊磁感線的疏密表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，磁感線上某點(diǎn)的切線方向表示該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。⒋任何兩條磁感線都不會(huì)相交，也不能相切。5．勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感線平行且距離相等．沒(méi)有畫出磁感線的地方不一定沒(méi)有磁場(chǎng)．6．安培定則：姆指指向電流方向，四指指向磁場(chǎng)的方向．注意這里的磁感線是一個(gè)個(gè)同心圓，每點(diǎn)磁場(chǎng)方向是在該點(diǎn)切線方向·7、*熟記常用的幾種磁場(chǎng)的磁感線：（二）、勻強(qiáng)磁場(chǎng)1、磁感線的方向反映了磁感強(qiáng)度的方向，磁感線的疏密反映了磁感強(qiáng)度的大小。2、磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向處處相同的區(qū)域，叫勻強(qiáng)磁場(chǎng)。其磁感線平行且等距。例：長(zhǎng)的通電螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)、兩個(gè)靠得很近的異名磁極間的磁場(chǎng)都是勻強(qiáng)磁場(chǎng)。3、如用B=F/(I·L)測(cè)定非勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，所取導(dǎo)線應(yīng)足夠短，以能反映該位置的磁場(chǎng)為勻強(qiáng)。（三）、磁通量（Φ）1．磁通量Φ：穿過(guò)某一面積磁力線條數(shù)，是標(biāo)量．2．磁通密度B：垂直磁場(chǎng)方向穿過(guò)單位面積磁力線條數(shù)，即磁感應(yīng)強(qiáng)度，是矢量．3．二者關(guān)系：B＝Φ/S（當(dāng)B與面垂直時(shí)），Φ＝BScosθ，Scosθ為面積垂直于B方向上的投影，θ是B與S法線的夾角．四、磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力（一）、安培力：1、通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的作用力叫做安培力．說(shuō)明:磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線中定向移動(dòng)的電荷有力的作用，磁場(chǎng)對(duì)這些定向移動(dòng)電荷作用力的宏觀表現(xiàn)即為安培力．2、安培力的計(jì)算公式：F＝BILsinθ（θ是I與B的夾角）；通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，即θ＝900，此時(shí)安培力有最大值；通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，即θ＝00，此時(shí)安培力有最小值，F(xiàn)=0N;00＜B＜900時(shí)，安培力F介于0和最大值之間.3、安培力公式的適用條件:I1I2①I1I2如圖所示，電流I1//I2,如I1在I2處磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則I1對(duì)I2的安培力F＝BI2L，方向向左，同理I2對(duì)I1，安培力向右，即同向電流相吸，異向電流相斥．②根據(jù)力的相互作用原理，如果是磁體對(duì)通電導(dǎo)體有力的作用，則通電導(dǎo)體對(duì)磁體有反作用力．兩根通電導(dǎo)線間的磁場(chǎng)力也遵循牛頓第三定律．(二）、左手定則1.用左手定則判定安培力方向的方法：伸開(kāi)左手，使拇指跟其余的四指垂直且與手掌都在同一平面內(nèi)，讓磁感線垂直穿過(guò)手心，并使四指指向電流方向，這時(shí)手掌所在平面跟磁感線和導(dǎo)線所在平面垂直，大拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線所受安培力的方向．2.安培力F的方向既與磁場(chǎng)方向垂直，又與通電導(dǎo)線垂直,即F跟BI所在的面垂直．但B與I的方向不一定垂直．3.安培力F、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電流1三者的關(guān)系①已知I,B的方向，可惟一確定F的方向；②已知F、B的方向，且導(dǎo)線的位置確定時(shí)，可惟一確定I的方向；③已知F,1的方向時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向不能惟一確定．4.由于B,I,F的方向關(guān)系常是在三維的立體空間，所以求解本部分問(wèn)題時(shí)，應(yīng)具有較好的空間想象力，要善于把立體圖畫變成易于分析的平面圖，即畫成俯視圖，剖視圖，側(cè)視圖等．(三)、安培力的性質(zhì)和規(guī)律；1、公式F=BIL中L為導(dǎo)線的有效長(zhǎng)度，即導(dǎo)線兩端點(diǎn)所連直線的長(zhǎng)度，相應(yīng)的電流方向沿L由始端流向末端．如圖示，甲中：，乙中：L/=d(直徑）＝2R（半圓環(huán)且半徑為R)2、安培力的作用點(diǎn)為磁場(chǎng)中通電導(dǎo)體的幾何中心；（四）、分析在安培力作用下通電導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)情況的一般步驟1、畫出通電導(dǎo)線所在處的磁感線方向及分布情況2、用左手定則確定各段通電導(dǎo)線所受安培力3、據(jù)初速方向結(jié)合牛頓定律確定導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)情況第二課時(shí)：洛倫茲力一、洛侖茲力磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力1.洛倫茲力的公式:f=qvBsinθ，θ是V、B之間的夾角.2.當(dāng)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向互相平行時(shí)，F(xiàn)＝03.當(dāng)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向互相垂直時(shí)，f=qvB4.只有運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中才有可能受到洛倫茲力作用，靜止電荷在磁場(chǎng)中受到的磁場(chǎng)對(duì)電荷的作用力一定為0．二、洛倫茲力的方向1.洛倫茲力F的方向既垂直于磁場(chǎng)B的方向，又垂直于運(yùn)動(dòng)電荷的速度v的方向，即F總是垂直于B和v所在的平面．2.使用左手定則判定洛倫茲力方向時(shí)，伸出左手，讓姆指跟四指垂直，且處于同一平面內(nèi)，讓磁感線穿過(guò)手心，四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)方向（當(dāng)是負(fù)電荷時(shí)，四指指向與電荷運(yùn)動(dòng)方向相反）則姆指所指方向就是該電荷所受洛倫茲力的方向．三、洛倫茲力與安培力的關(guān)系1.洛倫茲力是單個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力，而安培力是導(dǎo)體中所有定向稱動(dòng)的自由電荷受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)．2.洛倫茲力一定不做功，它不改變運(yùn)動(dòng)電荷的速度大小;但安培力卻可以做功．四、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)1.不計(jì)重力的帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)可分三種情況：一是勻速直線運(yùn)動(dòng)；二是勻速圓周運(yùn)動(dòng)；三是螺旋運(yùn)動(dòng)．2.不計(jì)重力的帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡半徑r=mv/qB；其運(yùn)動(dòng)周期T=2πm/qB（與速度大小無(wú)關(guān)）．3.不計(jì)重力的帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)和垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)都做曲線運(yùn)動(dòng)，但有區(qū)別：帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)，在電場(chǎng)中做勻變速曲線運(yùn)動(dòng)（類平拋運(yùn)動(dòng)）；垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則做變加速曲線運(yùn)動(dòng)（勻速圓周運(yùn)動(dòng)）．【例1】一帶電粒子以初速度V0垂直于勻強(qiáng)電場(chǎng)E沿兩板中線射入，不計(jì)重力，由C點(diǎn)射出時(shí)的速度為V，若在兩板間加以垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，粒子仍以V0入射，恰從C關(guān)于中線的對(duì)稱點(diǎn)D射出，如圖所示，則粒子從D點(diǎn)射出的速度為多少?解析：粒子第一次飛出極板時(shí)，電場(chǎng)力做正功，由動(dòng)能定理可得電場(chǎng)力做功為W1=m（V2－v02）/2……①，當(dāng)兩板間加以垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)后，粒子第二次飛出極板時(shí)，洛侖茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不做功，但是粒子從與C點(diǎn)關(guān)于中線的對(duì)稱點(diǎn)射出，洛侖茲力大于電場(chǎng)力，由于對(duì)稱性，粒子克服電場(chǎng)力做功，等于第一次電場(chǎng)力所做的功，由動(dòng)能定理可得W2=m（V02－VD2）/2……②，W1=W2。由①②③式得VD=點(diǎn)評(píng)：凡是涉及到帶電粒子的動(dòng)能發(fā)生了變化，均與洛侖茲力無(wú)關(guān)，因?yàn)槁鍋銎澚?duì)運(yùn)動(dòng)電荷永遠(yuǎn)不做功?！纠?】如圖所示，豎直兩平行板P、Q，長(zhǎng)為L(zhǎng)，兩板間電壓為U，垂直紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，電場(chǎng)和磁場(chǎng)均勻分布在兩板空間內(nèi)，今有帶電量為Q，質(zhì)量為m的帶正電的油滴，從某高度處由靜止落下，從兩板正中央進(jìn)入兩板之間，剛進(jìn)入時(shí)油滴受到的磁場(chǎng)力和電場(chǎng)力相等，此后油滴恰好從P板的下端點(diǎn)處離開(kāi)兩板正對(duì)的區(qū)域，求（1）油滴原來(lái)靜止下落的位置離板上端點(diǎn)的高度h。（2）油滴離開(kāi)板間時(shí)的速度大小。解析：（1）油滴在進(jìn)入兩板前作自由落體運(yùn)動(dòng)，剛進(jìn)入兩板之間時(shí)的速度為V0，受到的電場(chǎng)力與磁場(chǎng)力相等，則qv0B＝qU／d，v0＝U／Bd=，h=U2／2gB2d2（2）油滴進(jìn)入兩板之間后，速度增大，洛侖茲力在增大，故電場(chǎng)力小于洛侖茲力，油滴將向P板偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)力做負(fù)功，重力做正功，油滴離開(kāi)兩板時(shí)的速度為Vx，由動(dòng)能定理mg（h＋L）－qU／2=mVx2/2，點(diǎn)評(píng)：（1）根據(jù)帶電油滴進(jìn)入兩板時(shí)的磁場(chǎng)力與電場(chǎng)力大小相等求出油滴下落時(shí)到板上端的高度；（2）油滴下落過(guò)程中的速度在增大，說(shuō)明了洛侖茲力增大，油滴向P板偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)力做負(fù)功．【例3】如圖所示，在空間有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感強(qiáng)度的方向垂直紙面向里，大小為B，光滑絕緣空心細(xì)管MN的長(zhǎng)度為h，管內(nèi)M端有一質(zhì)量為m、帶正電q的小球P，開(kāi)始時(shí)小球P相對(duì)管靜止，管帶著小球P沿垂直于管長(zhǎng)度方向的恒定速度u向圖中右方運(yùn)動(dòng)．設(shè)重力及其它阻力均可忽略不計(jì)．（1）當(dāng)小球P相對(duì)管上升的速度為v時(shí)，小球上升的加速度多大？（2）小球P從管的另一端N離開(kāi)管口后，在磁場(chǎng)中作圓周運(yùn)動(dòng)的圓半徑R多大？（3）小球P在從管的M端到N端的過(guò)程中，管壁對(duì)小球做的功是多少？解析：（1）設(shè)此時(shí)小球的合速度大小為v合，方向與u的夾角為θ有……①cosθ=u/v合=u/………②此時(shí)粒子受到的洛倫茲力f和管壁的彈力N如所示，由牛頓第二定律可求此時(shí)小球上升的加速度為：a=fcosθ=qv合Bcosθ/m………③聯(lián)立①②③解得：a=quB/m（2）由上問(wèn)a知，小球上升加速度只與小球的水平速度u有關(guān)，故小球在豎直方向上做加速運(yùn)動(dòng)．設(shè)小球離開(kāi)N端管口時(shí)的豎直分速度為vy，由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式得此時(shí)小球的合速度故小球運(yùn)動(dòng)的半徑為（3）因洛化茲力對(duì)小球做的功為零，由動(dòng)能定理得管壁對(duì)小球做的功為：W=?mv2－?mu2=quBh【例4】在兩塊平行金屬板A、B中，B板的正中央有一α粒子源，可向各個(gè)方向射出速率不同的α粒子，如圖所示．若在A、B板中加上UAB＝U0的電壓后，A板就沒(méi)有α粒子射到，U0是α粒子不能到達(dá)A板的最小電壓．若撤去A、B間的電壓，為了使α粒子不射到A板，而在A、B之間加上勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度B必須符合什么條件（已知α粒子的荷質(zhì)比m／q=2．l×10－8kg/C，A、B間的距離d＝10cm，電壓U0=4．2×104V）？解析：α粒子放射源向各個(gè)方向射出速率不同的α粒子，設(shè)最大的速率為vm。則各個(gè)方向都有速率為vm的α粒子．當(dāng)A、B板加了電壓后，A、B兩板間的電壓阻礙α粒子到達(dá)A板，其方向是垂直兩板并由A板指向B板。在無(wú)電場(chǎng)時(shí)，α粒子在沿B向A板運(yùn)動(dòng)方向上有d=vcosθt………①，其中θ是α粒子速度與垂直兩板的直線的夾角．在①式中最容易到達(dá)A板的α粒子應(yīng)有θ＝0，v＝vm，即其速度方向由B極指向A板，且速率最大的α粒子，這些α粒子若達(dá)不到A板，其余的α粒子均達(dá)不到A板．由動(dòng)能定理可得qU0＝mvm2／2………②；若撤去電場(chǎng)，在A、B間加上勻強(qiáng)磁場(chǎng)，這些α粒子將做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其半徑為R，R=mv/qB……③，由③式可知，在B一定的條件下，v越大，R越大，越容易打到A板；反之，當(dāng)v值取最大值vm后，若所有具有vm的α粒子不能達(dá)到A板，則所有的α粒子均不能達(dá)到A板．在所有方向上的α粒子中，它們的軌跡剛好與A板相切的情況如圖所示．在圖中與A板相切的軌跡中最小半徑為R3，若R3是具有速率為vm的α粒子的半徑，則其它具有vm的α粒子均不能到達(dá)A板．若令R3為最小值Rmin時(shí)，即圖中Rmin=d／2是所有α粒子中軌跡與A板相切的最小半徑，將其代入③式后得d／2=mvm/qBmin……④，由②④兩式可得Bmin=2／d=0．84T，所以，A、B兩板之間應(yīng)加上垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，且磁感強(qiáng)度B≥0．84T時(shí)，所有的α粒子均不能到達(dá)A板．規(guī)律方法1、帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的圓心、半徑及時(shí)間的確定（1)用幾何知識(shí)確定圓心并求半徑．因?yàn)镕方向指向圓心，根據(jù)F一定垂直v，畫出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡中任意兩點(diǎn)（大多是射入點(diǎn)和出射點(diǎn)）的F或半徑方向，其延長(zhǎng)線的交點(diǎn)即為圓心，再用幾何知識(shí)求其半徑與弦長(zhǎng)的關(guān)系．(2)確定軌跡所對(duì)應(yīng)的圓心角，求運(yùn)動(dòng)時(shí)間．先利用圓心角與弦切角的關(guān)系，或者是四邊形內(nèi)角和等于3600（或2π）計(jì)算出圓心角θ的大小，再由公式t=θT/3600（或θT/2π）可求出運(yùn)動(dòng)時(shí)間．(3)注意圓周運(yùn)動(dòng)中有關(guān)對(duì)稱的規(guī)律．如從同一邊界射入的粒子，從同一邊界射出時(shí)，速度與邊界的夾角相等；在圓形磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，沿徑向射入的粒子，必沿徑向射出．【例5】如圖所示，一束電子（電量為e）以速度v垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，寬度為d的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，穿過(guò)磁場(chǎng)時(shí)速度方向與電子原來(lái)入射方向的夾角是300，則電子的質(zhì)量是，穿過(guò)磁場(chǎng)的時(shí)間是。解析：電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，只受洛倫茲力作用，故其軌跡是圓弧一部分，又因?yàn)閒⊥v，故圓心在電子穿入和穿出磁場(chǎng)時(shí)受到洛倫茲力指向交點(diǎn)上，如圖中的O點(diǎn)，由幾何知識(shí)知，AB間圓心角θ=300，OB為半徑．所以r=d/sin300=2d．又由r=得m＝2dBe／v．又因?yàn)锳B圓心角是300，所以穿過(guò)時(shí)間t=T=×==．【例6】如圖所示，一束電子以大小不同的速率沿圖示方向飛入橫截面是一正方形的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，下列判斷正確的是（）A、電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，其軌跡線越長(zhǎng)B．電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)。其軌跡線所對(duì)應(yīng)的圓心角越大C．在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同的電子，其軌跡線一定重合D．電子的速率不同，它們?cè)诖艌?chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間一定不相同解析：在圖中畫出了不同速率的電子在磁場(chǎng)中的軌跡，由前面的知識(shí)點(diǎn)可知軌跡的半徑R=mv／qB，說(shuō)明了半徑的大小與電子的速率成正比．但由于電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短僅與軌跡所對(duì)應(yīng)的圓心角大小有關(guān)，故可判斷圖中五條軌跡線所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間關(guān)系有t5＝t4＝t3＞t2＞t1顯然，本題選項(xiàng)中只有B正確．點(diǎn)評(píng)：本題所考查的是帶電粒子在矩形（包括正方形）磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡與相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系問(wèn)題．不同速率的電子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)角大?。ㄒ簿褪窃诖艌?chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短），由知識(shí)點(diǎn)中的周期表達(dá)式看來(lái)與半徑是沒(méi)有關(guān)系的，但由于磁場(chǎng)區(qū)域的邊界條件的限制，由圖說(shuō)明了半徑不同，帶電粒子離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)速度方向變化可能不同，也可能相同．由周期關(guān)系式必須明確的一點(diǎn)是：帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)短決定于軌跡所對(duì)應(yīng)的圓心角．【例7】如圖所示，半徑R=10cm的圓形區(qū)域邊界跟y軸相切于坐標(biāo)系原點(diǎn)O。磁感強(qiáng)度B＝0．332T，方向垂直于紙面向里，在O處有一放射