高中物理第三章磁場(chǎng)5運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力課件新人教版

第三章

磁場(chǎng)5運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力學(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(guò)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.內(nèi)容索引知識(shí)探究題型探究達(dá)標(biāo)檢測(cè)知識(shí)探究1一、電勢(shì)差導(dǎo)學(xué)探究如圖1所示，電子由陰極向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)(向右運(yùn)動(dòng))過(guò)程中發(fā)生了向下偏轉(zhuǎn)，試問(wèn)：(1)什么力使電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中向下偏轉(zhuǎn)？該力的方向如何？洛倫茲力向下答案圖1(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？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(mǎn)足左手定則.答案知識(shí)梳理1.洛倫茲力：

在磁場(chǎng)中受到的力.2.洛倫茲力的方向(1)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

從掌心進(jìn)入，并使四指指向

，這時(shí)拇指所指的方向就是正電荷所受

的方向.負(fù)電荷受力的方向與正電荷受力的方向

.(2)特點(diǎn)：F⊥B，F(xiàn)⊥v，即F垂直于

決定的平面.運(yùn)動(dòng)電荷磁感線(xiàn)正電荷運(yùn)動(dòng)的方向洛倫茲力相反B和v即學(xué)即用判斷下列說(shuō)法的正誤.(1)運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中一定受洛倫茲力.()(2)正電荷所受的洛倫茲力的方向與磁場(chǎng)方向相同，負(fù)電荷所受的洛倫茲力的方向與磁場(chǎng)方向相反.()(3)判斷負(fù)電荷所受洛倫茲力方向時(shí)，讓磁感線(xiàn)從掌心穿入，四指指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向，則大拇指所指方向即為負(fù)電荷受洛倫茲力的方向.(

)××√二、洛倫茲力的大小導(dǎo)學(xué)探究如圖2所示，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.設(shè)磁場(chǎng)中有一段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的通電導(dǎo)線(xiàn)，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)導(dǎo)線(xiàn)中的電流是多少？導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中所受安培力多大？答案圖2I＝nqvS

F安＝ILB＝nqvSLB(2)長(zhǎng)為L(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)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.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

表現(xiàn).而洛倫茲力是安培力的

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＝qvBsin

θ，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)電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)：F＝

；(2)當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)：F＝

；(3)當(dāng)電荷在磁場(chǎng)中靜止時(shí)：F＝

.知識(shí)梳理宏觀微觀qvB00即學(xué)即用判斷下列說(shuō)法的正誤.(1)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.(

)(2)若電荷的速度方向與磁場(chǎng)平行，則電荷不受洛倫茲力.(

)(3)洛倫茲力同電場(chǎng)力一樣，可對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷做正功或負(fù)功.(

)√√×三、電視顯像管的工作原理導(dǎo)學(xué)探究如圖3為電視顯像管的工作原理圖，從圖中(俯視圖)可以看出，沒(méi)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(xiàn)圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng).(1)如果要使電子束打在熒光屏上的A點(diǎn)，磁場(chǎng)應(yīng)該沿什么方向？垂直紙面向外.答案圖3(2)如果要使電子束打在B點(diǎn)，磁場(chǎng)應(yīng)該沿什么方向？垂直紙面向里.答案(3)如果要使電子束打在熒光屏上的位置由B逐漸向A點(diǎn)移動(dòng)，磁場(chǎng)應(yīng)該怎樣變化？先垂直紙面向里，使磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減弱，然后再反向逐漸增強(qiáng).答案知識(shí)梳理電視機(jī)顯像管的構(gòu)造和原理(1)電視機(jī)顯像管由電子槍、

和熒光屏組成.(2)電視機(jī)顯像管利用了

的原理.(3)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)不斷移動(dòng)，這在電視技術(shù)中叫做

.偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈電子束磁偏轉(zhuǎn)掃描即學(xué)即用如圖4所示是電視機(jī)中偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈的示意圖，圓心O處的黑點(diǎn)表示電子束；由紙內(nèi)向紙外而來(lái)，當(dāng)線(xiàn)圈中通以圖示方向的電流時(shí)(兩線(xiàn)圈通過(guò)的電流都相同)，則電子束將_______偏轉(zhuǎn).向上圖42題型探究一、洛倫茲力的大小和方向例1如圖5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5答案解析解析特別提醒計(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.當(dāng)v⊥B時(shí)，洛倫茲力F＝qvB，當(dāng)v∥B時(shí)，F(xiàn)＝0，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.二、帶電粒子在磁場(chǎng)中的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)1.帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做直線(xiàn)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)，也可在其他作用下做變速直線(xiàn)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(xiàn)則必做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng).帶電粒子所受洛倫茲力也為恒力.2.速度選擇器的工作原理(1)裝置及要求如圖6，兩極間存在勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)，二者方向互相垂直，帶電粒子從左側(cè)射入，不計(jì)粒子重力.圖6(2)帶電粒子能夠沿直線(xiàn)勻速通過(guò)速度選擇器的條件是qE＝qvB，即v＝

(3)速度選擇器的特點(diǎn)①v的大小等于E與B的比值，即v＝

.可知速度選擇器只對(duì)選擇的粒子速度有要求，而對(duì)粒子的質(zhì)量、電荷量大小及帶電正、負(fù)無(wú)要求.②當(dāng)v＞

時(shí)，粒子向F洛方向偏轉(zhuǎn)，F(xiàn)電做負(fù)功，粒子的動(dòng)能減小，電勢(shì)能增大.③當(dāng)v＜

時(shí)，粒子向F電方向偏轉(zhuǎn)，F(xiàn)電做正功，粒子的動(dòng)能增大，電勢(shì)能減小.例2

(多選)在圖7中虛線(xiàn)所示的區(qū)域存在勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng).取坐標(biāo)如圖所示，一帶電粒子沿x軸正方向進(jìn)入此區(qū)域，在穿過(guò)此區(qū)域的過(guò)程中運(yùn)動(dòng)方向始終不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不計(jì)重力的影響，電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向可能是A.E和B都沿x軸方向B.E沿y軸正向，B沿z軸正向C.E沿z軸正向，B沿y軸正向D.E、B都沿z軸方向答案√解析√圖7本題沒(méi)有說(shuō)明帶電粒子的帶電性質(zhì)，為便于分析，假定粒子帶正電.A選項(xiàng)中，磁場(chǎng)對(duì)粒子作用力為零，電場(chǎng)力與粒子運(yùn)動(dòng)方向在同一直線(xiàn)上，運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，故A正確；B選項(xiàng)中，電場(chǎng)力方向向上，洛倫茲力方向向下，當(dāng)這兩個(gè)力平衡時(shí)，粒子運(yùn)動(dòng)方向可以始終不變，B正確；C選項(xiàng)中，電場(chǎng)力、洛倫茲力都沿z軸正方向，將做曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，C錯(cuò)；D選項(xiàng)中，電場(chǎng)力沿z軸方向，洛倫茲力沿y軸方向，兩力不可能平衡，粒子將做曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，D錯(cuò).如果粒子帶負(fù)電，仍有上述結(jié)果.針對(duì)訓(xùn)練1一個(gè)帶正電的微粒(重力不計(jì))穿過(guò)如圖8所示的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域時(shí)，恰能沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，則欲使微粒向下偏轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)采用的方法是A.增大電荷質(zhì)量B.增大電荷量C.減小入射速度D.增大磁感應(yīng)強(qiáng)度微粒在穿過(guò)這個(gè)區(qū)域時(shí)所受的力為：豎直向下的電場(chǎng)力Eq和豎直向上的洛倫茲力qvB，且此時(shí)Eq＝qvB.若要使微粒向下偏轉(zhuǎn)，需使Eq＞qvB，則減小速度v、減小磁感應(yīng)強(qiáng)度B或增大電場(chǎng)強(qiáng)度E均可.答案√解析圖8三、帶電體在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題例3一個(gè)質(zhì)量為m＝0.1g的小滑塊，帶有q＝5×10－4

C的電荷量，放置在傾角α＝30°的光滑斜面上(絕緣)，斜面固定且置于B＝0.5T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直紙面向里，如圖9所示，小滑塊由靜止開(kāi)始沿斜面滑下，斜面足夠長(zhǎng)，小滑塊滑至某一位置時(shí)，要離開(kāi)斜面(g取10m/s2).求：(保留兩位有效數(shù)字)(1)小滑塊帶何種電荷？圖9

答案解析負(fù)電荷小滑塊在沿斜面下滑的過(guò)程中，受重力mg、斜面支持力FN和洛倫茲力F作用，如圖所示，若要使小滑塊離開(kāi)斜面，則洛倫茲力F應(yīng)垂直斜面向上，根據(jù)左手定則可知，小滑塊應(yīng)帶負(fù)電荷.(2)小滑塊離開(kāi)斜面時(shí)的瞬時(shí)速度多大？答案解析3.5m/s(3)該斜面長(zhǎng)度至少多長(zhǎng)？答案解析1.2m總結(jié)提升分析帶電體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)應(yīng)注意的問(wèn)題1.注意受力情況和運(yùn)動(dòng)情況的分析.帶電體在磁場(chǎng)中速度變化時(shí)洛倫茲力的大小隨之變化，并進(jìn)一步導(dǎo)致壓力、摩擦力的變化，物體在變力作用下將做變加速運(yùn)動(dòng).2.注意規(guī)律的選用和臨界狀態(tài)分析.分析帶電體的運(yùn)動(dòng)，注意利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和平衡條件分析各物理量的動(dòng)態(tài)變化.該題中支持力為零是物體將要離開(kāi)接觸面的臨界狀態(tài).針對(duì)訓(xùn)練2如圖10所示，a為帶正電的小物塊，b是一不帶電的絕緣物塊(設(shè)a、b間無(wú)電荷轉(zhuǎn)移)，a、b疊放于粗糙的水平地面上，地面上方有垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng).現(xiàn)用水平恒力F拉b物塊，使a、b一起無(wú)相對(duì)滑動(dòng)地向左做加速運(yùn)動(dòng)，則在加速運(yùn)動(dòng)階段A.a對(duì)b的壓力不變B.a對(duì)b的壓力變大C.a、b物塊間的摩擦力變大D.a、b物塊間的摩擦力不變圖10答案√解析a、b整體受總重力、拉力F、向下的洛倫茲力qvB、地面的支持力FN和摩擦力Ff，豎直方向有FN＝(ma＋mb)g＋qvB，水平方向有F－Ff＝(ma＋mb)a，F(xiàn)f＝μFN.在加速階段，v增大，F(xiàn)N增大，F(xiàn)f增大，加速度a減小.對(duì)a受力分析，a受重力mag、向下的洛倫茲力qvB、b對(duì)a向上的支持力FN′、b對(duì)a向左的靜摩擦力Ff′，豎直方向：FN′＝mag＋qvB，水平方向：Ff′＝maa.隨著v的增大，F(xiàn)N′增大，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；加速度a在減小，所以a、b物塊間的摩擦力變小，選項(xiàng)C、D均錯(cuò)誤.達(dá)標(biāo)檢測(cè)31.下圖中，電荷的速度方向、磁場(chǎng)方向和電荷的受力方向之間關(guān)系正確的是123答案√解析選項(xiàng)A、B中電荷速度方向與磁感線(xiàn)方向平行，不受洛倫茲力，故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；由左手定則知C選項(xiàng)正確；選項(xiàng)D中負(fù)電荷受洛倫茲力向上，故D錯(cuò)誤.2.(多選)如圖11所示為速度選擇器裝置，場(chǎng)強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)與磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)互相垂直.一帶電量為＋q，質(zhì)量為m的粒子(不計(jì)重力)以速度v水平向右射入，粒子恰好沿直線(xiàn)穿過(guò)，則下列說(shuō)法正確的是A.若帶電粒子帶電量為＋2q，粒子將向下偏轉(zhuǎn)B.若帶電粒子帶電量為－2q，粒子仍能沿直線(xiàn)穿過(guò)C.若帶電粒子速度為2v，粒子不與極板相碰，則從

右側(cè)射出時(shí)電勢(shì)能一定增加D.若帶電粒子從右側(cè)水平射入，粒子仍能沿直線(xiàn)穿過(guò)答案√解析圖11√123粒子恰好沿直線(xiàn)穿過(guò)，電場(chǎng)力和洛倫茲力均垂直于速度，故合力為零，粒子做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；根據(jù)平衡條件，有：qvB