人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學(xué)案：1 2 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊(cè)PAGEPAGE12磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1.知道什么是洛倫茲力，會(huì)用左手定則判斷洛倫茲力的方向.2.掌握洛倫茲力公式的推導(dǎo)過程，會(huì)計(jì)算洛倫茲力的大小.3.知道電視顯像管的基本構(gòu)造及工作的基本原理．一、洛倫茲力的方向和大小1．洛倫茲力(1)定義：運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力．(2)與安培力的關(guān)系：通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)．2．洛倫茲力的方向左手定則：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)；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．3．洛倫茲力的大小(1)當(dāng)v與B成θ角時(shí)，F(xiàn)＝qvBsinθ.(2)當(dāng)v⊥B時(shí)，F(xiàn)＝qvB.(3)當(dāng)v∥B時(shí)，F(xiàn)＝0.二、電子束的磁偏轉(zhuǎn)1．顯像管的構(gòu)造：如圖1所示，由電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈和熒光屏組成．圖12．顯像管的原理(1)電子槍發(fā)射高速電子．(2)電子束在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)．(3)熒光屏被電子束撞擊時(shí)發(fā)光．3．掃描：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，使得電子束打在熒光屏上的光點(diǎn)從上向下、從左向右不斷移動(dòng)．1．判斷下列說法的正誤．(1)運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中一定受洛倫茲力．(×)(2)同一電荷，以相同大小的速度進(jìn)入磁場(chǎng)，速度方向不同時(shí)，洛倫茲力的大小也可能相同．(√)(3)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．(×)(4)電荷垂直磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受洛倫茲力最小，平行磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)所受洛倫茲力最大．(×)(5)顯像管內(nèi)偏轉(zhuǎn)線圈中的電流恒定不變時(shí)，電子打在熒光屏上的光點(diǎn)是不動(dòng)的．(√)2.如圖2所示，一陰極射線管左側(cè)不斷有電子射出，若在管的正下方放一通電直導(dǎo)線AB時(shí)，發(fā)現(xiàn)射線的運(yùn)動(dòng)軌跡向下彎曲，則導(dǎo)線中的電流方向?yàn)開_________．(填“從A到B”或“從B到A”)圖2〖答案〗從B到A一、洛倫茲力的方向?qū)W(xué)探究如圖3所示，電子由陰極向陽極運(yùn)動(dòng)(向右運(yùn)動(dòng))過程中向下發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，試問：圖3(1)什么力使電子偏轉(zhuǎn)？該力的方向如何？(2)電子運(yùn)動(dòng)軌跡附近的磁場(chǎng)方向如何？電子所受洛倫茲力與磁場(chǎng)方向、電子運(yùn)動(dòng)方向存在什么關(guān)系？〖答案〗(1)洛倫茲力向下(2)磁場(chǎng)方向向里電子所受洛倫茲力與磁場(chǎng)方向垂直，與電子運(yùn)動(dòng)方向垂直，滿足左手定則知識(shí)深化1．洛倫茲力的方向(1)F、B、v三者方向間的關(guān)系洛倫茲力的方向總是與電荷運(yùn)動(dòng)的方向及磁場(chǎng)方向垂直，即洛倫茲力的方向總是垂直于運(yùn)動(dòng)電荷速度方向和磁場(chǎng)方向確定的平面．說明：F、B、v三個(gè)量的方向關(guān)系是：F⊥B，F(xiàn)⊥v，但B與v不一定垂直，如圖4甲、乙所示．圖4(2)受洛倫茲力方向的判斷在用左手定則判斷運(yùn)動(dòng)的電荷在磁場(chǎng)中所受洛倫茲力的方向時(shí)，對(duì)于正電荷，四指指向電荷的運(yùn)動(dòng)方向；但對(duì)于負(fù)電荷，四指應(yīng)指向電荷運(yùn)動(dòng)的反方向．2．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．試判斷下列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()〖答案〗D〖解析〗根據(jù)左手定則可以判斷，選項(xiàng)A中的帶電粒子所受的洛倫茲力方向向下；選項(xiàng)B中的帶電粒子所受的洛倫茲力方向向上；選項(xiàng)C中的帶電粒子所受的洛倫茲力方向垂直紙面指向紙外；選項(xiàng)D中的帶電粒子所受的洛倫茲力方向垂直于紙面指向紙里，D正確．二、洛倫茲力的大小導(dǎo)學(xué)探究如圖5所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B.設(shè)磁場(chǎng)中有一段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的通電導(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且定向移動(dòng)的速率都是v.圖5(1)導(dǎo)線中的電流是多少？導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力多大？(2)長(zhǎng)為L(zhǎng)的導(dǎo)線中含有的自由電荷數(shù)為多少？每個(gè)自由電荷所受洛倫茲力多大？〖答案〗(1)nqvSnqvSLB(2)nSLqvB知識(shí)深化1．洛倫茲力與安培力的關(guān)系(1)安培力是導(dǎo)體中所有定向移動(dòng)的自由電荷受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，而洛倫茲力是安培力的微觀本質(zhì)．(2)洛倫茲力對(duì)電荷不做功，但安培力卻可以對(duì)導(dǎo)體做功．2．洛倫茲力的大?。篎＝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)，v⊥B，sinθ＝1，F(xiàn)＝qvB，即運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，洛倫茲力最大．(2)當(dāng)θ＝0°時(shí)，v∥B，sinθ＝0，F(xiàn)＝0，即運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)平行方向時(shí)，不受洛倫茲力．如圖6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，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．圖6〖答案〗(1)qvB垂直于v指向左上方(2)eq\f(1,2)qvB垂直紙面向里(3)qvB垂直紙面向里(4)qvB垂直于v指向左上方〖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分解成垂直磁場(chǎng)的分量和平行磁場(chǎng)的分量，v⊥＝vsin30°，F(xiàn)＝qvBsin30°＝eq\f(1,2)qvB，方向垂直紙面向里．(3)因v⊥B，所以F＝qvB，由左手定則判斷出洛倫茲力的方向垂直紙面向里．(4)因v⊥B，所以F＝qvB，方向垂直于v指向左上方．三、電子束的磁偏轉(zhuǎn)顯像管的原理示意圖如圖7所示，當(dāng)沒有磁場(chǎng)時(shí)電子束打在熒光屏正中的O點(diǎn)．安裝在管徑上的偏轉(zhuǎn)線圈可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)．設(shè)垂直紙面向里的磁場(chǎng)方向?yàn)檎较颍绻闺娮邮蛟跓晒馄辽系奈恢糜蒔點(diǎn)逐漸移動(dòng)到Q點(diǎn)，下列磁場(chǎng)能夠使電子束發(fā)生上述偏轉(zhuǎn)的是()圖7〖答案〗A〖解析〗要使電子束打在熒光屏上的位置由P點(diǎn)逐漸移動(dòng)到Q點(diǎn)，可知電子先向上偏轉(zhuǎn)后向下偏轉(zhuǎn)，P到O過程中洛倫茲力向上，O到Q過程中洛倫茲力向下，根據(jù)左手定則知，能夠使電子束發(fā)生上述偏轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)是選項(xiàng)A.四、帶電體在洛倫茲力作用下的運(yùn)動(dòng)1．帶電體在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中速度變化時(shí)洛倫茲力的大小往往隨之變化，并進(jìn)一步導(dǎo)致彈力、摩擦力的變化，帶電體將在變力作用下做變加速運(yùn)動(dòng)．2．利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和平衡條件分析各物理量的動(dòng)態(tài)變化時(shí)要注意彈力為零的臨界狀態(tài)，此狀態(tài)是彈力方向發(fā)生改變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)．(多選)用絕緣細(xì)線懸掛一個(gè)質(zhì)量為m、帶正電的小球，置于如圖8所示的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)小球偏離豎直方向在垂直于磁場(chǎng)方向擺動(dòng)時(shí)，如果細(xì)線始終繃緊，不計(jì)空氣阻力，則前后兩次通過最低點(diǎn)時(shí)相比較，相同的物理量是()圖8A．小球受到的洛倫茲力B．小球的加速度C．細(xì)線的拉力D．小球的動(dòng)能〖答案〗BD〖解析〗由于洛倫茲力不做功，因此小球兩次通過最低點(diǎn)時(shí)速度大小相等、方向相反，動(dòng)能相等，洛倫茲力方向相反，A錯(cuò)誤，D正確；小球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心加速度相同，B正確；由于洛倫茲力方向相反，所以細(xì)線的拉力大小不相等，C錯(cuò)誤．(2020·云南省武定民族中學(xué)高二期末)如圖9所示，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的水平勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有一足夠長(zhǎng)的絕緣細(xì)棒OO′在豎直面內(nèi)垂直磁場(chǎng)方向放置，細(xì)棒與水平面間的夾角為α，一質(zhì)量為m、帶電荷量為＋q的圓環(huán)A套在OO′棒上，圓環(huán)與棒間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，且μ<tanα，重力加速度為g.現(xiàn)讓圓環(huán)A由靜止開始下滑，試問圓環(huán)在下滑過程中：圖9(1)圓環(huán)A的最大加速度為多大？獲得最大加速度時(shí)的速度為多大？(2)圓環(huán)A能夠達(dá)到的最大速度為多大？〖答案〗(1)gsinαeq\f(mgcosα,qB)(2)eq\f(mgsinα＋μcosα,μqB)〖解析〗(1)由于μ<tanα，所以環(huán)將由靜止開始沿棒下滑，環(huán)A沿棒運(yùn)動(dòng)的速度為v1時(shí)，受到重力mg、洛倫茲力qv1B、棒的彈力FN1和摩擦力Ff1，F(xiàn)f1＝μFN1，根據(jù)牛頓第二定律，沿棒的方向有mgsinα－Ff1＝ma垂直棒的方向有FN1＋qv1B＝mgcosα所以當(dāng)FN1＝0，即Ff1＝0時(shí)，a有最大值am，且am＝gsinα，此時(shí)qv1B＝mgcosα解得v1＝eq\f(mgcosα,qB)(2)設(shè)當(dāng)環(huán)A的速度達(dá)到最大值vm時(shí)，環(huán)受棒的彈力大小為FN2，方向垂直于棒向下，摩擦力大小為Ff2＝μFN2，此時(shí)應(yīng)有a＝0，即mgsinα＝Ff2FN2＋mgcosα＝qvmB解得vm＝eq\f(mgsinα＋μcosα,μqB)求解帶電體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問題的解題步驟1．確定研究對(duì)象，即帶電體；2．確定帶電體所帶電荷量的正、負(fù)以及速度方向；3．由左手定則判斷帶電體所受洛倫茲力的方向，并作出受力分析圖；4．由平行四邊形定則、矢量三角形或正交分解法等方法，根據(jù)物體的平衡條件或牛頓第二定律列方程求解；5．對(duì)于定性分析的問題還可以采用極限法進(jìn)行推理，從而得到結(jié)論．1．(洛倫茲力的方向)在下列四個(gè)選項(xiàng)中，正確標(biāo)明了帶正電粒子所受洛倫茲力F方向的是()〖答案〗D〖解析〗根據(jù)左手定則可知，A項(xiàng)中洛倫茲力方向應(yīng)該垂直紙面向里，故A錯(cuò)誤；B項(xiàng)中洛倫茲力方向應(yīng)該垂直紙面向外，故B錯(cuò)誤；C項(xiàng)中洛倫茲力方向應(yīng)該豎直向下，故C錯(cuò)誤；D項(xiàng)中洛倫茲力方向應(yīng)該豎直向上，故D正確．2．(洛倫茲力的大小)兩個(gè)帶電粒子以相同的速度垂直磁感線方向進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，兩粒子質(zhì)量之比為1∶4，電荷量之比為1∶2，則剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)兩帶電粒子所受洛倫茲力之比為()A．2∶1B．1∶1C．1∶2D．1∶4〖答案〗C〖解析〗帶電粒子的速度方向與磁感線方向垂直時(shí)，洛倫茲力F＝qvB，與電荷量成正比，與質(zhì)量無關(guān)，C項(xiàng)正確．3.(帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng))(2020·廣東佛山一中高二期中)一束等離子體(含有大量帶正電和帶負(fù)電的離子，都不考慮重力)，沿圖10中箭頭所示的方向垂直于磁場(chǎng)方向進(jìn)入一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直紙面向里，離子運(yùn)動(dòng)的軌跡如圖中a、b所示，則()圖10A．a(chǎn)是帶正電的離子的運(yùn)動(dòng)軌跡B．b是帶正電的離子的運(yùn)動(dòng)軌跡C．a(chǎn)是帶負(fù)電的離子的運(yùn)動(dòng)軌跡D．a(chǎn)是帶正電離子及帶負(fù)電離子的共同運(yùn)動(dòng)軌跡〖答案〗A〖解析〗帶正電的離子在垂直紙面向里的磁場(chǎng)中向右運(yùn)動(dòng)，根據(jù)左手定則可知，離子受到的洛倫茲力的方向向上，所以離子可能的運(yùn)動(dòng)軌跡為a，故A符合題意，B不符合題意．帶負(fù)電的離子在垂直紙面向里的磁場(chǎng)中向右運(yùn)動(dòng)，根據(jù)左手定則可知，離子受到的洛倫茲力的方向向下，所以離子可能的運(yùn)動(dòng)軌跡為b，故C不符合題意．根據(jù)A、C的分析可知，帶正電離子及帶負(fù)電離子的運(yùn)動(dòng)軌跡不相同，故D不符合題意．4．(帶電體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng))(多選)(2020·攀枝花市高二期末)如圖11所示，一個(gè)質(zhì)量為0.1g、電荷量為5×10－4C的小滑塊(可視為質(zhì)點(diǎn))，放在傾角為α＝30°的光滑絕緣斜面頂端(斜面足夠長(zhǎng))，斜面置于B＝0.5T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直紙面向里，小滑塊由靜止開始沿斜面滑下，小滑塊運(yùn)動(dòng)一段距離l后離開斜面，g取10m/s2，則()圖11A．小滑塊帶正電B．小滑塊帶負(fù)電C．l＝1.2mD．小滑塊離開斜面時(shí)的瞬時(shí)速率