歡迎進入物理課堂 第五節(jié)運動電荷在磁場中受到的力 課標定位 學習目標 1 掌握洛倫茲力的方向和大小及其計算公式的有關(guān)知識 2 了解電視顯像管的原理 重點難點 洛倫茲力的大小方向判定 核心要點突破 課堂互動講練 知能優(yōu)化訓練 第五節(jié)運動電荷在磁場中受到的力 課前自主學案 課前自主學案 一 洛倫茲力的方向和大小1 洛倫茲力的定義 在磁場中所受的作用力 2 洛倫茲力的方向 1 實驗觀察 陰極射線在磁場中的偏轉(zhuǎn) 沒有磁場時電子束是一條直線 將一蹄形磁鐵跨放在陰極射線管外面 電子流運動軌跡發(fā)生彎曲 運動電荷 2 洛倫茲力方向的判斷左手定則 伸開左手 使拇指與其余四個手指垂直 并且都與手掌在同一個平面內(nèi) 讓 從掌心進入 并使四指指向 這時拇指所指的方向就是運動的正電荷在磁場中所受 的方向 負電荷受力的方向與正電荷受力的方向 3 特點 洛倫茲力的方向與電荷運動方向和磁場方向都 洛倫茲力只改變帶電粒子的運動方向 不改變速度大小 對電荷不做功 磁感線 正電荷運動方向 洛倫茲力 相反 垂直 3 洛倫茲力的大小 1 電荷量為q的粒子以速度v運動時 如果速度方向與磁感應(yīng)強度方向垂直 則F qvB 2 當電荷運動方向與磁場的方向夾角為 時 F qvBsin 3 當電荷沿磁場方向運動 即 0或v B 時 F 0 思考感悟一帶電粒子以速度v0射入勻強磁場中 粒子能做勻速直線運動嗎 有沒有可能做勻變速運動 不計粒子重力 提示 若粒子平行于磁場方向射入 粒子不受洛倫茲力作用 將做勻速直線運動 若粒子受洛倫茲力作用 洛倫茲力因與速度方向垂直 使速度的方向不斷變化 因此洛倫茲力的方向也在變化 即粒子受變力作用 故粒子不可能做勻變速運動 二 電視機顯像管的工作原理1 構(gòu)造 如圖3 5 1所示 實際上是一個陰極射線管和偏轉(zhuǎn)線圈的組合 陰極射線管內(nèi)有 和 2 原理陰極發(fā)射 經(jīng)過偏轉(zhuǎn)線圈 偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場和電子運動方向垂直 電子受 發(fā)生偏轉(zhuǎn) 偏轉(zhuǎn)后的電子打在熒光屏上 使熒光屏發(fā)光 圖3 5 1 電子槍 熒光屏 電子 洛倫茲力 3 掃描在電視機顯像管的偏轉(zhuǎn)區(qū)有兩對線圈 叫做偏轉(zhuǎn)線圈 偏轉(zhuǎn)線圈中通入大小 方向按一定規(guī)律變化的電流 分別在豎直方向和水平方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場 其方向 強弱都在不斷地變化 因此電子束打在熒光屏上的光點就像圖3 5 2那樣不斷移動 這在電視技術(shù)中叫做掃描 圖3 5 2 核心要點突破 一 對洛倫茲力方向的理解1 決定洛倫茲力方向的因素有三個 電荷的電性 正 負 速度方向 磁感應(yīng)強度的方向 當電荷電性一定時 其他兩個因素中 如果只讓一個因素相反 則洛倫茲力方向必定相反 如果同時讓兩個因素相反 則洛倫茲力方向?qū)⒉蛔?2 當電荷的運動方向與磁場方向垂直時 由左手定則可知 洛倫茲力的方向既與磁場方向垂直 又與電荷的運動方向垂直 即洛倫茲力垂直于v和B兩者所決定的平面 3 由于洛倫茲力的方向總是跟運動電荷的速度方向垂直 所以洛倫茲力對運動電荷不做功 洛倫茲力只能改變電荷速度的方向 不能改變速度的大小 特別提醒 1 判斷負電荷在磁場中運動受洛倫茲力的方向 四指要指向負電荷運動的相反方向 也就是電流的方向 2 電荷運動的方向v和B不一定垂直 但洛倫茲力一定垂直于磁感應(yīng)強度B和速度方向v 即時應(yīng)用 即時突破 小試牛刀 1 如圖3 5 3所示 表示磁場B 電荷的速度v和磁場對電荷作用力F的方向之間的相互關(guān)系 這四個圖中畫得正確的是 其中B F v兩兩垂直 圖3 5 3解析 選BD A中F方向應(yīng)豎直向下 C中F方向應(yīng)水平向右 二 對洛倫茲力大小的理解1 公式推導 圖3 5 4 2 洛倫茲力和安培力的區(qū)別與聯(lián)系 1 洛倫茲力是單個運動電荷在磁場中受到的力 而安培力是導體中所有定向移動的自由電荷受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn) 2 盡管安培力是自由電荷定向移動時受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn) 但也不能認為安培力就簡單地等于所有定向移動電荷所受洛倫茲力的和 一般只有當導體靜止時才能這樣認為 3 洛倫茲力恒不做功 但安培力卻可以做功 可見安培力與洛倫茲力既有緊密相關(guān) 不可分割的必然聯(lián)系 也有顯著的區(qū)別 3 洛倫茲力與電場力的比較 即時應(yīng)用 即時突破 小試牛刀 2 2011年張家界高二檢測 關(guān)于電場力與洛倫茲力 以下說法正確的是 A 電荷只要處在電場中 就會受到電場力 而電荷靜止在磁場中 也可能受到洛倫茲力B 電場力對在電場中的電荷一定會做功 而洛倫茲力對在磁場中的電荷卻不會做功C 電場力與洛倫茲力一樣 受力方向都在電場線和磁感線上D 只有運動的電荷在磁場中才會受到洛倫茲力的作用 解析 選D 靜止在磁場中的電荷不可能受到洛倫茲力 A錯 盡管電場力對電荷可以做功 但如果電荷在電場中不動或沿等勢面移動 電場力做功為零 B錯 洛倫茲力的方向與磁感線垂直 與運動方向垂直 C錯 只有D是正確的 三 帶電粒子在復(fù)合場中的直線運動1 復(fù)合場一般包括重力場 電場和磁場三種場的任意兩種場復(fù)合或三種場復(fù)合 2 帶電粒子在復(fù)合場中運動的分析方法和思路 1 正確進行受力分析 除重力 彈力 摩擦力外要特別注意電場力和洛倫茲力的分析 2 確定帶電粒子的運動狀態(tài) 注意運動情況和受力情況的結(jié)合 3 靈活選擇不同的運動規(guī)律 當帶電粒子在復(fù)合場中做勻速直線運動時 粒子受力必然平衡 由平衡條件列方程求解 對于臨界問題 注意挖掘隱含條件 特別提醒 1 電子 質(zhì)子 粒子等一般不計重力 帶電小球 塵埃 液滴等帶電顆粒一般要考慮重力的作用 2 注意重力 電場力做功與路徑無關(guān) 洛倫茲力始終和運動方向垂直 永不做功的特點 即時應(yīng)用 即時突破 小試牛刀 3 在圖3 5 5所示的勻強電場和勻強磁場共存的區(qū)域內(nèi) 電子可能沿水平方向向右做直線運動的是 圖3 5 5 解析 選BC 電子必受與電場反向的電場力 當其運動方向與磁場平行時不受洛倫茲力 當其運動方向與磁場垂直時必受與磁場垂直的洛倫茲力 電子做直線運動合力可能為零 若不為零則必與速度共線 由此可判知 B C正確 課堂互動講練 在圖3 5 6所示的各圖中 勻強磁場的磁感應(yīng)強度均為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3 5 6 思路點撥 應(yīng)用左手定則判斷洛倫茲力方向 根據(jù)公式F qv B求洛倫茲力的大小 規(guī)律總結(jié) 1 用左手定則判斷洛倫茲力方向時 要特別注意運動電荷的正負 四指應(yīng)指向正電荷運動的方向 或指向負電荷運動的反方向 2 計算洛倫茲力的大小時 應(yīng)注意弄清v與磁感應(yīng)強度B的方向關(guān)系 當v B時 洛倫茲力F qvB 當v B時 F 0 當v與B成 角 0 90 時 應(yīng)將v 或B 進行分解取它們垂直的分量計算 變式訓練1陰極射線管中粒子流向由左向右 其上方放置一根通有如圖3 5 7所示電流的直導線 導線與陰極射線管平行 則陰極射線將 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) 圖3 5 7 解析 選B 由安培定則 電流在其下方所產(chǎn)生的磁場方向垂直紙面向里 由左手定則 電子流所受洛倫茲力向下 故向下偏轉(zhuǎn) 故選B 質(zhì)量為m 帶電量為q的微粒 以速度v與水平方向成45 角進入勻強電場和勻強磁場同時存在的空間 如圖3 5 8所示 微粒在電場 磁場 重力場的共同作用下做勻速直線運動 求 1 電場強度的大小 該帶電粒子帶何種電荷 2 磁感應(yīng)強度的大小 圖3 5 8 思路點撥 正確分析帶電微粒的受力情況 由平衡條件列方程求解 精講精析 1 微粒做勻速直線運動 所受合力必為零 微粒受重力mg 電場力qE 洛倫茲力qvB 由此可知 微粒帶正電 受力如圖3 5 9所示 圖3 5 9 規(guī)律總結(jié) 1 不論帶電粒子在磁場外做什么運動 首先要確定其重力是否考慮 一般情況下微觀粒子如電子 質(zhì)子 中子 粒子等如無特殊說明均不計重力 宏觀小帶電體如無特殊說明需要考慮 2 帶電粒子在復(fù)合場 電場 磁場 重力場中兩個或三個共存 中的運動狀態(tài)是否發(fā)生變化取決于其受的合力 當帶電粒子處于平衡狀態(tài)時 所受外力滿足平衡條件 即所有力的合力為零 此時可以利用共點力作用下物體的平衡條件列方程來解決 當帶電粒子運動狀態(tài) 速度 發(fā)生變化時 由于其所受洛倫茲力也會隨之變化 所以帶電粒子的受力表現(xiàn)為動態(tài)變化 變式訓練2用絕緣細線懸掛一個質(zhì)量為m 帶電荷量為 q的小球 讓它處于如圖3 5 10所示的磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中 由于磁場的運動 小球靜止在如圖所示位置 這時懸線與豎直方向的夾角為 并被拉緊 則磁場運動的速度大小和方向是 圖3 5 10 質(zhì)量為0 1g的小物塊 帶有5 10 4C的電荷量 放在傾角為30 的絕緣光滑斜面上 整個斜面置于0 5T的勻強磁場中 磁場方向如圖3 5 11所示 物塊由靜止開始下滑 滑到某一位置時 物塊開始離開斜面 設(shè)斜面足夠長 g 10m s2 問 圖3 5 11 1 物塊帶電性質(zhì) 2 物塊離開斜面時的速度為多少 3 物塊在斜面上滑行的最大距離是多少 思路點撥 先判定洛倫茲力方向 再求離開斜面的臨界速度 最后由動能定理求物塊位移 答案 1 負電 2 3 46m s 3 1 2m 規(guī)律總結(jié) 1 洛倫茲力F qvB與帶電體的速度v 大小 方向 有關(guān) 當帶電體的速度發(fā)生變化時 洛倫茲力也會發(fā)生改變 因此帶電體的受力情況往往是動態(tài)變化的 2 正確地分析臨界情景及對應(yīng)的臨界條件往往是求解的關(guān)鍵 變式訓練3如圖3 5 13所示 質(zhì)量為m的帶正電小球從靜止開始沿豎直的絕緣墻豎直下滑 磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場方向水平垂直紙面向外 并與小球運動方向垂直 若小球電荷量為q 球與墻間的動摩擦因數(shù)為 則小球下滑的最大速度和最大加速度各多大 圖3 5 13 如圖3 5 14是磁流體發(fā)電機的示意圖 兩極板間的勻強磁場磁感應(yīng)強度為B 0 5T 極板間距d 20cm 如果要求該發(fā)電機的輸出電壓為U 20V 則離子的速率為多少 圖3 5 14 答案 200m s 規(guī)律總結(jié) 當離子不再偏向極板時 極板所帶電荷量穩(wěn)定 兩板之間電壓穩(wěn)定 此時離子應(yīng)處于勻速直線運動狀態(tài) 利用平衡條件即可求解 變式訓練4如圖3 5 15所示為一速度選擇器 內(nèi)有一磁感應(yīng)強度為B 方向垂直紙面向外的勻強磁場 一束粒子流以速度v水平射入 為使粒子流經(jīng)過磁場時不偏轉(zhuǎn) 不計重力 則磁場區(qū)域內(nèi)必須同時存在一個勻強電場 關(guān)于此電場場強大小和方向的說法中 正確的是 圖3 5 15 A 大小為B v 粒子帶正電時 方向向上B 大小為B v 粒子帶負電時 方向向上C 大小為Bv 方向向下 與粒子帶何種電荷無關(guān)D 大小為Bv 方向向上 與粒子帶何種電荷無關(guān)解析 選D 當粒子所受的洛倫茲力和電場力平衡時 粒子流勻速直線通過該區(qū)域 有qvB qE 所以E Bv 假設(shè)粒子帶正電 則受向下的洛倫茲力 電場方向應(yīng)該向上 粒子帶負電時 電場方向仍應(yīng)向上 故正確答案為D 知能優(yōu)化訓練 本部分內(nèi)容講解結(jié)束 點此進入課件目錄 按ESC鍵退出全屏播放 謝謝使用 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全