1、5 运动电荷在磁场中受到的力 课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 目标导航 预习导引 学习目标 1.能说出洛伦兹力的概念,以及与安培力的关系。2.会用左手定则判定洛伦兹力的方向。3.会计算洛伦兹力的大小,了解电视机的工作原理。重点难点 重点:洛伦兹力的大小计算和方向判定。难点:左手定则判定洛伦兹力的方向。课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 目标导航 预习导引 1.洛伦兹力(1)定义:磁场对运动电荷的作用力。(2)与安培力的关系:安培力是大量运动电荷受到洛伦
2、兹力的宏观表现。课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 目标导航 预习导引 预习交流 1 太阳发射出的带电粒子以 3001 000 km/s 的速度扫过太阳系,形成“太阳风”(如图所示).这种巨大的辐射经过地球时,为什么不能直射地球?答案:因为地球周围存在着磁场,宇宙空间的带电粒子在经过地球磁场时,由于受到洛伦兹力的作用而发生偏转,故不能直射向地球。课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 目标导航 预习导引 2.洛伦兹力的方向 用左手定则来判断:伸开左手,使拇指与
3、其余四个手指垂直,并且都与手掌在同一平面内;让磁感线从掌心进入,并使四指指向正电荷运动的方向,这时拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。3.洛伦兹力的大小(1)公式:F=qvBsin。式中 为 v 与 B 的夹角。(2)特殊情况 当=90 即 vB 时,F=qvB。当=0 或 180,即 vB 时,F=0 即 v 与 B 平行时,运动电荷不受洛伦兹力。课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 目标导航 预习导引 4.洛伦兹力不做功 洛伦兹力的方向既垂直于磁场,又垂直于电荷运动的速度,根据做功的条件可以推断:洛伦
4、兹力对运动电荷不做功。5.电视显像管的工作原理 电视显像管应用了电子束磁偏转的道理。显像管中有一个阴极,工作时它能发射电子,荧光屏被电子束撞击就能发光。在偏转区的水平方向和竖直方向都有偏转磁场,其方向、强弱都在不断地变化。课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 目标导航 预习导引 预习交流 2 目前,电视机已走进了家家户户,给人们的生活带来了巨大的变化.足不出户便可欣赏到千里之外奥运赛事的精彩直播!电视机正在播放节目时,不能将磁铁靠近荧光屏!你知道这是为什么吗?答案:由于电视机的显像管是利用磁场对电子束偏转原理工作的,如果将磁铁
5、靠近荧光屏,会影响电子束的偏转方向,进而使得图象变形或变色。课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 问题导学 当堂检测 一、洛伦兹力的方向 活动与探究 探究洛伦兹力的方向 1.在地球南北极附近或高纬地区,晚上会看到一种神奇的彩色光带极光。试简述美丽的极光产生的原因。答案:极光的形成与地磁场有关。由于地球本身是一个大磁体,来自宇宙的射线特别是太阳辐射的带电粒子遇到地磁场发生偏转,最终落到地球两极上空的大气层中,使大气层中的分子电离发光。由于在可见光波段不同元素的分子电离后发出光的颜色不同,所以极光里呈现出美丽的彩色光带。课前预习导
6、学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 问题导学 当堂检测 2.电荷放在电场中会受到静电力作用,那么电荷放入磁场中是否一定会受到洛伦兹力的作用?答案:当电荷在磁场中静止或沿着磁场方向运动时,电荷不会受到洛伦兹力作用。只有当电荷运动且运动方向不与磁场平行时,才受洛伦兹力作用。3.在利用左手定则判断带电粒子在磁场中所受到的洛伦兹力的方向时,四指所指的方向是否一定为电荷运动的方向?答案:根据左手定则,四指所指的方向为正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向。4.洛伦兹力的方向与电荷运动方向、磁场方向有何关系?F、B、v三者的方向关系一定互相垂直吗?
7、答案:(1)洛伦兹力的方向总是与电荷运动方向和磁场方向垂直,即洛伦兹力的方向总是垂直于电荷运动方向和磁场方向所决定的平面。(2)F、B、v 三者的方向关系是:FB,Fv,但 B 与 v 不一定垂直。课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 问题导学 当堂检测 迁移与应用 例 1 三种不同粒子 a、b、c从 O点沿同一方向进入垂直纸面向里的匀强磁场中的运动轨迹分别如图所示。则()A.粒子 a一定带正电 B.粒子 b一定带正电 C.粒子 c一定带正电 D.粒子 b一定带负电 解析:由左手定则可以判断,粒子 a 带正电,粒子 b不带电,
8、粒子 c带负电。答案:A 点评:三种不同粒子沿同一方向进入同一磁场,出现不同的偏转方向,说明三种粒子的带电性质不同,根据左手定则及其轨迹偏转方向可判定其电性。课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 问题导学 当堂检测 迁移训练 1 每时每刻都有大量宇宙射线向地球射来,地磁场可以改变射线中大多数带电粒子的运动方向,使它们不能到达地面,这对地球上的生命有十分重要的意义。假设有一个带正电的宇宙射线粒子正垂直于地面向赤道射来,在地磁场的作用下,它将()A.向东偏转 B.向南偏转 C.向西偏转 D.向北偏转 答案:A 解析:赤道上地磁场的
9、方向水平向北,当带正电的宇宙射线粒子竖直向下运动时,由左手定则判断其所受的洛伦兹力方向向东,选项 A正确。课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 问题导学 当堂检测 1.洛伦兹力的方向垂直于 B、v 确定的平面。2.用左手定则判断洛伦兹力的方向和安培力方向的判断方法相同,即有两种方法:(1)对正电荷,四指指向速度方向,对负电荷,四指指向速度的反方向。(2)不论是正电荷,还是负电荷,四指永远指向粒子运动形成的电流的方向。3.由于洛伦兹力的方向总是跟运动电荷的速度方向垂直,所以洛伦兹力对运动电荷不做功,洛伦兹力只能改变电荷速度的方向
10、,不能改变速度的大小。课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 问题导学 当堂检测 二、洛伦兹力的大小 活动与探究 探究安培力的大小 1.既然安培力是作用在导线中各自由电子所受洛伦兹力的宏观表现,当在磁场中的导线没有通电时,自由电子也在不停地运动,为什么没有安培力呢?答案:导线不通电时,电荷只有无规则的热运动,而无定向运动,由于向各方向运动的电荷几率相等,磁场对每个运动电荷的洛伦兹力叠加的宏观效果为零。课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 问题导学 当堂检测 2.
11、电荷在某一区域不受洛伦兹力,是否能说明该处没有磁场?答案:不能。因为静止的电荷在磁场中不受洛伦兹力;电荷运动的方向与磁场方向平行时也不受洛伦兹力。3.如图所示,直导线长为 L,电流为 I,导线中运动电荷数为 n,截面积为 S,电荷的电荷量为 q,运动速度为 v,请推导洛伦兹力的大小。答案:推导如下:安培力 F=ILB=nF洛 所以洛伦兹力 F洛=Fn=ILBn 因为 I=NqSv(N 为单位体积的电荷数)所以 F洛=NqSvLBn=NSLn qvB,式中 n=NSL,故 F洛=qvB。课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 问题
12、导学 当堂检测 迁移与应用 例 2 如图所示,匀强磁场的磁感应强度均为 B,带电粒子的速率均为 v,带电荷量均为 q。试求出图中带电粒子所受洛伦兹力的大小,并标出洛伦兹力的方向。课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 问题导学 当堂检测 解析:图甲中因 vB,所以 F=qvB,方向与 v 垂直斜向上。图乙中v与B的夹角为30,F=qvBsin 30=12qvB,方向垂直纸面向里。图丙中由于 v 与 B 平行,所以带电粒子不受洛伦兹力。图丁中因 v 与 B 垂直,所以 F=qvB,方向与 v 垂直斜向上。答案:见解析 课前预习导学
13、 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 问题导学 当堂检测 迁移训练 2 一个质量 m=0.1 g 的小滑块,带有 q=5 10-4 C 的电荷量,放置在倾角=30 的光滑斜面上(绝缘),斜面固定且置于B=0.5 T的匀强磁场中,磁场方向垂直纸面向里,如图所示,小滑块由静止开始沿斜面滑下,斜面足够长,小滑块滑至某一位置时,要离开斜面(g取 10 m/s2)。求:(1)小滑块带何种电荷?(2)小滑块离开斜面时的瞬时速度多大?(3)该斜面长度至少多长?答案:(1)负电(2)3.5 m/s(3)1.2 m 课前预习导学 KEQIAN YUXI D
14、AOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 问题导学 当堂检测 解析:(1)小滑块在沿斜面下滑的过程中,受重力 mg、斜面支持力 FN和洛伦兹力 F洛作用,如图所示,若要使小滑块离开斜面,则洛伦兹力 F洛应垂直斜面向上,根据左手定则可知,小滑块应带负电荷。(2)小滑块沿斜面下滑的过程中,垂直于斜面的加速度为零时,由平衡条件得 F洛+FN=mgcos,当支持力 FN=0时,小滑块脱离斜面。设此时小滑块速度为 vmax,则此时小滑块所受洛伦兹力 F洛=qvmaxB,所以vmax=mgqB=0.110-310 32510-40.5 m/s3.5 m/s。(3)设该斜面长度至少为
15、 l,则小滑块离开斜面的临界情况为小滑块刚滑到斜面底端时。因为下滑过程中只有重力做功,由动能定理得mglsin=12mv2-0,所以斜面长至少为 l=v22g=(3.5)22100.5 m1.2 m。课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 问题导学 当堂检测 洛伦兹力与电场力的比较 洛伦兹力 电场力 性质 磁场对运动电荷的作用力 电场对电荷的作用力 产生条件 在磁场中 v0 且 v与 B不平行 在电场中,与 v无关 大小 F洛=qvBsin (为 B与 v的夹角)F电=qE 方向 F洛B,F洛v,遵循左手定则 F电总与 E 同向
16、或反向,与 v 方向无关 作用效果 F洛只改变 v 的方向不改变 v的大小 F电既可改变 v 的方向又可改变 v的大小 做功情况 一定不做功 可做正功,可做负功也可以不做功 课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 问题导学 当堂检测 1 2 3 4 5 1.下列各图中,运动电荷的速度方向、磁感应强度方向和电荷的受力方向之间的关系正确的是()答案:B 解析:由左手定则可判,选项 A 错误,B 正确。因选项 C、D 中电荷运动方向平行于磁场,均不受洛伦兹力。因此,C、D 均错误。课前预习导学 KEQIAN YUXI DAOXUE 课堂合作探究 KETANG HEZUO TANJIU 问题导学 当堂检测 1 2 3 4 5 2.一个长直螺线管中通有大小和方向都随时间变化的交变电流,把一个带电粒子沿如图所示的方向沿管轴线射入管中,则粒子将在管中()A.做匀速圆周运动 B.沿轴线来回振动 C.做匀加速直线运动 D.做匀速直线运动 答案:D 解析:通有交变电流的螺线管内部磁场方向始终与轴线平行,带电粒子沿着平行于磁场方向运动时不受洛
