《磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力》 教學(xué)課件1

2.磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力內(nèi)容索引0102課前篇自主預(yù)習(xí)課堂篇探究學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)目標(biāo)思維導(dǎo)圖1.通過(guò)實(shí)驗(yàn),認(rèn)識(shí)洛倫茲力。(科學(xué)探究)2.能判斷洛倫茲力的方向。(科學(xué)思維)3.會(huì)計(jì)算洛倫茲力的大小。(科學(xué)思維)課前篇自主預(yù)習(xí)必備知識(shí)一、洛倫茲力的方向1.洛倫茲力運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力。2.洛倫茲力的方向左手定則:伸開(kāi)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);讓磁感線從掌心垂直進(jìn)入,并使四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向,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。負(fù)電荷受力的方向與正電荷受力的方向相反。想一想當(dāng)帶電粒子帶負(fù)電時(shí),如何應(yīng)用左手定則?提示

讓四指指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)方向的反方向。

二、洛倫茲力的大小1.安培力與洛倫茲力的關(guān)系電荷定向移動(dòng)時(shí)所受洛倫茲力的矢量和,在宏觀上表現(xiàn)為通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的安培力。2.電荷在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力需要滿足的條件只有電荷的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向有一定夾角時(shí)才會(huì)受到洛倫茲力。3.洛倫茲力的計(jì)算公式F=qvBsinθ,其中q為電荷的電荷量,單位為庫(kù)侖(C);v為電荷運(yùn)動(dòng)的速度,單位為米每秒(m/s);B為磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,單位為特斯拉(T);θ為電荷運(yùn)動(dòng)的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的夾角。

三、電子束的磁偏轉(zhuǎn)1.電視機(jī)顯像管的構(gòu)成由電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈和熒光屏構(gòu)成。2.原理(1)電子槍發(fā)射電子。(2)電子束在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)。(3)熒光屏被電子束撞擊發(fā)光。3.電子束在熒光屏上的移動(dòng)規(guī)律(1)電子束在熒光屏上從左至右掃描一行之后迅速返回,再做下一行掃描,直到熒光屏的下端。(2)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。由于人的“視覺(jué)暫留”,我們感到整個(gè)熒光屏都在發(fā)光。自我檢測(cè)1.判斷正誤,判斷結(jié)果為錯(cuò)誤的小題請(qǐng)說(shuō)明原因。(1)運(yùn)動(dòng)電荷在磁感應(yīng)強(qiáng)度不為零的地方,一定會(huì)受到洛倫茲力的作用。(

)解析

若運(yùn)動(dòng)電荷的運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向平行,則電荷受到的洛倫茲力為零。答案

×(2)運(yùn)動(dòng)電荷在某處不受洛倫茲力的作用,則該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度一定為零。(

)解析

若運(yùn)動(dòng)電荷在某處不受洛倫茲力的作用,則可能是電荷的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)的方向平行,也可能是磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。答案

×(3)用左手定則判斷洛倫茲力方向時(shí),“四指的指向”與電荷定向移動(dòng)方向相同。(

)解析

用左手定則判斷洛倫茲力方向時(shí),“四指的指向”與正電荷定向移動(dòng)的方向一致,與負(fù)電荷定向移動(dòng)的方向相反。答案

×(4)電視機(jī)顯像管是靠磁場(chǎng)使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)的。(

)解析

電視機(jī)顯像管中電子束是在磁場(chǎng)的洛倫茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)的。答案

√2.下列說(shuō)法正確的是(

)A.根據(jù)F=qvB可得B=,磁感應(yīng)強(qiáng)度等于運(yùn)動(dòng)電荷垂直于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受磁場(chǎng)力和電荷量與速度之積的比值B.根據(jù)F=qvB可得B=,磁感應(yīng)強(qiáng)度與運(yùn)動(dòng)電荷垂直于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受磁場(chǎng)力成正比,與電荷量與速度之積成反比C.洛倫茲力和安培力都不做功D.靜止電荷在磁場(chǎng)中不受力,運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中一定受力解析

磁場(chǎng)中某點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小取決于磁場(chǎng)本身,與運(yùn)動(dòng)電荷的受力、電荷量和速度無(wú)關(guān),選項(xiàng)A正確,B錯(cuò)誤;洛倫茲力始終與速度垂直,不做功,安培力可以對(duì)導(dǎo)體棒做功,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;若運(yùn)動(dòng)電荷的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向平行,則不受洛倫茲力作用,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。答案

A課堂篇探究學(xué)習(xí)探究一洛倫茲力的方向情境探究如圖所示,用陰極射線管研究磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用,不同方向的磁場(chǎng)對(duì)電子束徑跡有不同的影響。電荷偏轉(zhuǎn)方向與磁場(chǎng)方向、電子運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系滿足怎樣的規(guī)律?要點(diǎn)提示

左手定則。

知識(shí)歸納1.決定洛倫茲力方向的三個(gè)因素電荷的電性(正、負(fù))、速度方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向是決定洛倫茲力方向的三個(gè)要素。當(dāng)電性一定時(shí),其他兩個(gè)因素決定洛倫茲力的方向,如果只讓一個(gè)因素相反,則洛倫茲力方向必定相反;如果同時(shí)讓兩個(gè)因素相反,則洛倫茲力方向?qū)⒉蛔儭?.F、B、v三者方向間的關(guān)系(1)電荷運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向間沒(méi)有因果關(guān)系,B與v不一定垂直,兩者關(guān)系是不確定的。(2)電荷運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向確定洛倫茲力方向。(3)F⊥B,F⊥v,即F垂直于B和v所決定的平面。洛倫茲力與粒子運(yùn)動(dòng)方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的關(guān)系

3.洛倫茲力的特點(diǎn)(1)洛倫茲力的方向隨電荷運(yùn)動(dòng)方向的變化而變化。但無(wú)論怎樣變化,洛倫茲力都與運(yùn)動(dòng)方向垂直。(2)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。要點(diǎn)筆記

確定洛倫茲力的方向需明確運(yùn)動(dòng)電荷的電性,特別注意左手四指的指向應(yīng)與負(fù)電荷的運(yùn)動(dòng)方向相反;當(dāng)v與B不垂直時(shí),要對(duì)磁場(chǎng)或速度進(jìn)行分解。實(shí)例引導(dǎo)例1

如圖所示的磁感應(yīng)強(qiáng)度B、電荷的運(yùn)動(dòng)速度v和電荷所受洛倫茲力F的相互關(guān)系圖中,畫(huà)得正確的是(其中B、F、v兩兩垂直)(

)解析

由于B、F、v兩兩垂直,根據(jù)左手定則得A、B、D選項(xiàng)中電荷所受的洛倫茲力都與圖示F的方向相反,故A、B、D錯(cuò)誤,C正確。答案

C規(guī)律方法

用左手定則判斷洛倫茲力方向時(shí),要特別注意以下關(guān)系:變式訓(xùn)練

1(多選)下列關(guān)于圖中各帶電粒子所受洛倫茲力的方向或帶電粒子的電性的判斷正確的是(

)A.洛倫茲力方向豎直向上B.洛倫茲力方向垂直紙面向里C.粒子帶負(fù)電D.洛倫茲力方向垂直紙面向外解析

根據(jù)左手定則可知A圖中洛倫茲力方向豎直向上,B圖中洛倫茲力方向垂直紙面向里,C圖中粒子帶正電,D圖中洛倫茲力方向垂直紙面向外,故A、B、D正確,C錯(cuò)誤。答案

ABD探究二洛倫茲力的大小情境探究如圖所示,磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,磁場(chǎng)中有一段通電導(dǎo)線,橫截面積為S,單位體積中含有的自由電荷數(shù)為n,每個(gè)自由電荷的電荷量為q且定向運(yùn)動(dòng)的速率都是v。(1)圖中一段長(zhǎng)度為vt的導(dǎo)線中的自由電荷數(shù)是多少?導(dǎo)線中的電流為多大?(2)圖中一段長(zhǎng)度為vt的導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力多大?(3)每個(gè)自由電荷所受洛倫茲力多大?知識(shí)歸納1.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2.洛倫茲力大小的理解要點(diǎn)洛倫茲力:F=qvBsinθ,θ為電荷運(yùn)動(dòng)的方向與磁場(chǎng)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。實(shí)例引導(dǎo)例2

如圖所示,各圖中的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度均為B,帶電粒子的速率均為v,所帶電荷量均為q。試求出圖中帶電粒子所受洛倫茲力的大小,并指出洛倫茲力的方向。解析

(1)因v⊥B,所以F=qvB,方向垂直于v指向左上方。(2)v與B的夾角為30°,將v分解成垂直于磁場(chǎng)的分量和平行于磁場(chǎng)的分量,v⊥=vsin

30°,F=qvBsin

30°=qvB,方向垂直于紙面向里。(3)由于v與B平行,所以洛倫茲力為零。(4)v與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

垂直于紙面向里(3)0(4)qvB

垂直于v指向左上方規(guī)律方法

計(jì)算洛倫茲力的大小時(shí),應(yīng)注意弄清v與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向關(guān)系。(1)當(dāng)v⊥B時(shí),洛倫茲力F=qvB;(2)當(dāng)v∥B時(shí),F=0;(3)當(dāng)v與B成θ角(0°<θ<90°)時(shí),應(yīng)將v(或B)進(jìn)行分解取它們垂直的分量計(jì)算。變式訓(xùn)練

2一初速度為零的質(zhì)子,質(zhì)量m=1.67×10-27kg,電荷量q=1.6×10-19

C,經(jīng)過(guò)電壓為1880V的電場(chǎng)加速后,垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為5.0×10-4T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,求質(zhì)子所受洛倫茲力的大小。質(zhì)子受到的洛倫茲力F=Bqv=4.8×10-17

N。

答案

4.8×10-17

N探究三帶電粒子(物體)在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情境探究在兩平行金屬板間,有如圖所示的互相正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)。α粒子(帶正電)以速度v0從兩極板的正中央垂直于電場(chǎng)方向和磁場(chǎng)方向射入,恰好能沿直線勻速通過(guò)。忽略重力,則:(1)若質(zhì)子(帶正電)以速度v0從兩極板的正中央垂直于電場(chǎng)方向和磁場(chǎng)方向射入,質(zhì)子將向哪偏轉(zhuǎn)?(2)若電子以速度v0從兩極板的正中央垂直于電場(chǎng)方向和磁場(chǎng)方向射入時(shí),電子將向哪偏轉(zhuǎn)?(3)若質(zhì)子以大于v0的速度,沿垂直于電場(chǎng)方向和磁場(chǎng)方向從兩極板正中央射入,質(zhì)子將向哪偏轉(zhuǎn)?(4)若增大勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,其他條件不變,電子以速度v0沿垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向,從兩極板正中央射入,電子將向哪偏轉(zhuǎn)?要點(diǎn)提示

設(shè)帶電粒子的質(zhì)量為m,電荷量為q,勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度為E、勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。帶電粒子以速度v0垂直射入互相正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí),若粒子帶正電荷,則所受電場(chǎng)力方向向下,大小為qE;所受洛倫茲力方向向上,大小為qv0B。沿直線勻速通過(guò)時(shí),有qv0B=qE,v0=,即與其質(zhì)量、電荷量無(wú)關(guān)。如果粒子帶負(fù)電荷,電場(chǎng)力方向向上,洛倫茲力方向向下,上述結(jié)論仍然成立。所以,(1)(2)兩問(wèn)中粒子均不偏轉(zhuǎn)。若質(zhì)子以大于v0的速度射入兩極板之間,由于洛倫磁力F=Bqv(v>v0),洛倫茲力將大于電場(chǎng)力,質(zhì)子帶正電荷,將向上偏轉(zhuǎn)。磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B增大時(shí),電子射入的其他條件不變,所受洛倫茲力F=Bqv0也增大,電子帶負(fù)電荷,所受洛倫茲力方向向下,將向下偏轉(zhuǎn)。知識(shí)歸納1.帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中無(wú)約束情況下做直線運(yùn)動(dòng)的兩種情景(1)速度方向與磁場(chǎng)平行,不受洛倫茲力作用,可做勻速直線運(yùn)動(dòng)也可在其他力作用下做變速直線運(yùn)動(dòng)。(2)速度方向與磁場(chǎng)不平行,且除洛倫茲力外的各力均為恒力,若軌跡為直線則必做勻速直線運(yùn)動(dòng)。帶電粒子所受洛倫茲力也為恒力。2.洛倫茲力考查角度多,因而涉及洛倫茲力的題目往往較為綜合,解題時(shí)可按以下步驟分析(1)確定研究對(duì)象,進(jìn)行受力分析,注意帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,若速度方向與磁場(chǎng)方向不平行,則受洛倫茲力。(2)根據(jù)已知條件,結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律,列方程求解。(3)若涉及能量,可根據(jù)動(dòng)能定理或能量守恒定律,列方程求解,同時(shí)注意洛倫茲力始終與帶電粒子速度方向垂直,因而對(duì)帶電粒子不做功。實(shí)例引導(dǎo)例3

如圖所示,兩個(gè)完全相同的帶等量正電荷的小球a和b,從同一高度自由落下,分別穿過(guò)高度相同的水平方向的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng),落到地面上。(1)設(shè)兩球運(yùn)動(dòng)所用的總時(shí)間分別為ta、tb,則(

)A.ta=tb

B.ta>tbC.ta<tb

D.條件不足,無(wú)法比較(2)小球落地時(shí)的動(dòng)能Eka與Ekb相等嗎?解析

分析兩球在豎直方向上的受力和運(yùn)動(dòng)情況。(1)a球進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)后,始終受到水平向右的靜電力F電=qE作用,這個(gè)力不會(huì)改變a在豎直方向運(yùn)動(dòng)的速度,故它下落的總時(shí)間ta與沒(méi)有電場(chǎng)時(shí)自由下落的時(shí)間t0相同。b球以某一速度進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)瞬間它就受到水平向右的洛倫茲力作用,這個(gè)力只改變速度方向,會(huì)使速度方向向右發(fā)生偏轉(zhuǎn),又因?yàn)槁鍌惼澚κ冀K與速度方向垂直,當(dāng)速度方向變化時(shí),洛倫茲力的方向也發(fā)生變化,不再沿水平方向。如圖為小球b在磁場(chǎng)中某一位置時(shí)的受力情況,從圖中可以看出洛倫茲力F洛的豎直分量F1會(huì)影響小球豎直方向的運(yùn)動(dòng),使豎直下落的加速度減小(小于g),故其下落的時(shí)間tb大于沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)小球自由下落的總時(shí)間t0。綜上所述,ta<tb。(2)設(shè)兩球運(yùn)動(dòng)的豎直高度為h,a球運(yùn)動(dòng)的水平位移為x,則對(duì)a球:Eka=mgh+qEx,對(duì)b球:Ekb=mgh。則Eka>Ekb。答案

(1)C

(2)不相等

規(guī)律方法

洛倫茲力與電場(chǎng)力的比較

分類洛倫茲力電場(chǎng)力作用條件運(yùn)動(dòng)電荷的速度方向與B不平行時(shí),運(yùn)動(dòng)電荷才受到洛倫茲力帶電粒子只要處在電場(chǎng)中,就一定受到電場(chǎng)力大小方向F=qvBsin

θ,方向與B垂直,與v垂直,用左手定則判斷F=qE,F的方向與E同向或反向特點(diǎn)洛倫茲力永不做功電場(chǎng)力可做正功、負(fù)功或不做功相同點(diǎn)反映了電場(chǎng)和磁場(chǎng)都具有能施加力的性質(zhì)變式訓(xùn)練

3光滑絕緣桿與水平面保持θ角,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)充滿整個(gè)空間,一個(gè)帶正電q、質(zhì)量為m、可以自由滑動(dòng)的小環(huán)套在桿上,如圖所示,小環(huán)下滑過(guò)程中對(duì)桿的壓力為零時(shí),小環(huán)的速度為

。

解析

以帶電小環(huán)為研究對(duì)象,受力情況如圖所示。F=mgcos

θ,F=qvB隨堂檢測(cè)1.勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,一個(gè)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子受到洛倫茲力F的方向如圖所示,則該粒子所帶電性和運(yùn)動(dòng)方向可能是(

)A.粒子帶負(fù)電,向下運(yùn)動(dòng)B.粒子帶正電,向左運(yùn)動(dòng)C.粒子帶負(fù)電,向上運(yùn)動(dòng)D.粒子帶正電,向右運(yùn)動(dòng)解析

根據(jù)左手定則,讓磁感線穿過(guò)掌心,拇指指向F的方向,可判斷出四指向上,這樣存在兩種可能:粒子帶正電向上運(yùn)動(dòng)或粒子帶負(fù)電向下運(yùn)動(dòng),故A正確,C錯(cuò)誤;而粒子若左右運(yùn)動(dòng),則受力沿上下方向,故B、D錯(cuò)誤,正確答案是A。答案

A2.在陰極射線管中電子流方向由左向右,其上方放置一根通有如圖所示電流的直導(dǎo)線,導(dǎo)線與陰極射線管平行,則電子將(

)A.向上偏轉(zhuǎn)

B.向下偏轉(zhuǎn)C.向紙里偏轉(zhuǎn)

D.向紙外偏轉(zhuǎn)解析

由題圖可知,直導(dǎo)線電流的方向由左向右,根據(jù)安培定則,可判定直導(dǎo)線下方的磁場(chǎng)方向?yàn)榇怪庇诩埫嫦蚶?而電子運(yùn)動(dòng)方向由左向右,由左手定則知(電子帶負(fù)電荷,四指要指向電子運(yùn)動(dòng)方向的反方向),電子將向下偏轉(zhuǎn),故B選項(xiàng)正確。答案

B3.如圖所示,帶負(fù)電的粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。關(guān)于帶電粒子所受洛倫茲力的方向,下列各圖中判斷正確的是(

)解析

本題考查了左手定則的應(yīng)用,根據(jù)左手定則即可正確判斷磁場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)方向、洛倫茲力三者之間的關(guān)系。根據(jù)左手定則可知A圖中洛倫茲力方向向下,故A正確;B圖中洛倫茲力方向向上,故B錯(cuò)誤;C圖中所受洛倫茲力方向垂直紙面向里,故C錯(cuò)誤;D圖中受洛倫茲力方向垂直紙面向外