高二物理課件：3.5《磁場對運動電荷的作用力》 （人教版選修3-1）

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歡迎進入物理課堂 5 運動電荷在磁場中受到的力 一 洛倫茲力的方向和大小1 演示實驗 陰極射線管發(fā)出的電子束 如上圖甲中的徑跡是把電子射線管放在蹄形磁鐵的磁場中 如圖乙中電子束的徑跡 若調(diào)換磁鐵南北極的位置 則電子束的徑跡會2 洛倫茲力 1 定義 在磁場中所受的力 2 與安培力的關系 通電導線在磁場中所受的安培力是洛倫茲力的 而洛倫茲力是安培力的微觀本質(zhì) 一條直線 發(fā)生彎曲 向相反的方向彎曲 運動電荷 宏觀表現(xiàn) 3 洛倫茲力的方向 1 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 2 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 垂直 4 洛倫茲力的大小 1 當時 F qvB 2 當時 F 0 二 電視顯像管的工作原理1 電視顯像管應用了電子束的原理 2 電子束打在熒光屏上的位置在偏轉(zhuǎn)磁場的控制下一行一行的不斷移動 這在電視技術中叫做 v B v B 磁偏轉(zhuǎn) 掃描 1 對洛倫茲力的進一步理解 1 洛倫茲力的方向 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 磁感應強度的方向 在研究電荷的運動方向與磁場方向垂直的情況時 由左手定則可知 F洛 B F洛 v即F洛垂直于B和v兩者決定的平面 特別提醒 1 公式F qvB中的v是帶電粒子相對于磁場的運動速度 2 判斷負電荷在磁場中運動所受洛倫茲力的方向 四個手指要伸向負電荷運動的相反方向 3 電荷運動的方向v和磁場的方向B不一定垂直 但洛倫茲力一定垂直于磁感應強度B和速度v的方向 2 洛倫茲力與安培力的關系 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) 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 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 不可分割的必然聯(lián)系 也有顯著的區(qū)別 3 由安培力公式推導洛倫茲力公式設導體內(nèi)單位體積上自由電荷數(shù)為n 自由電荷的電荷量為q 定向移動的速度為v 設長度為L的導線中的自由電荷在t秒內(nèi)全部通過面積為S的截面A 如下圖所示 設通過的電荷量為Q 有Q nqSL ngS vt 導線與磁場垂直 關于安培力和洛倫茲力 下面的說法正確的是 A 安培力和洛倫茲力是性質(zhì)不同的兩種力B 安培力和洛倫茲力 其本質(zhì)都是磁場對運動電荷的作用力C 這兩種力都是效果力 其實并不存在 原因是不遵守牛頓第三定律D 安培力對通電導體能做功 洛倫茲力對運動電荷不能做功 解析 電流是電荷的定向移動 安培力是磁場對導體內(nèi)定向移動電荷所施加的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn) 洛倫茲力始終與電荷運動方向垂直 所以不能對運動電荷做功 而安培力作用在導體上 可以讓導體產(chǎn)生位移 因此能對導體做功 這兩種力是同一性質(zhì)的力 同樣遵守牛頓第三定律 反作用力作用在形成磁場的物體上 選項B D正確 答案 BD 2 洛倫茲力與電場力的比較 2011 張家界高二檢測 關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 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 答案 D 3 洛倫茲力在現(xiàn)代科技中的應用 特點a 速度選擇器只選擇速度 大小 方向 而不選擇粒子的質(zhì)量和電荷量 如上圖中若從右側入射則不能穿出場區(qū) b 速度選擇器B E v三個物理量的大小 方向互相約束 以保證粒子受到的電場力和洛倫茲力等大 反向 如圖中只改變磁場B的方向 粒子將向下偏轉(zhuǎn) 2 磁流體發(fā)電機目前世界上正在研究的一種新型發(fā)電機叫磁流體發(fā)電機 它可以把氣體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能 如右圖表示出了它的發(fā)電原理 將一束等離子體 即高溫下電離的氣體 含有大量帶正電和帶負電的微粒 而從整體上來說是呈電中性 噴射入磁場 磁場中有兩塊金屬板A B 則高速射入的離子在洛倫茲力的作用下向A B兩板聚集 使兩板間產(chǎn)生電勢差 若平行金屬板間距為d 勻強磁場的磁感應強度為B 等離子體流速為v 氣體從一側面垂直磁場射入板間 不計氣體電阻 外電路電阻為R 則兩板間最大電壓和可能達到的最大電流為多少 在兩平行金屬板間 有如下圖所示的互相正交的勻強電場和勻強磁場 粒子以速度v0從兩板的正中央垂直于電場方向和磁場方向射入時 恰好能沿直線勻速通過 粒子 質(zhì)子 電子均不計重力 1 若質(zhì)子以速度v0從兩板的正中央垂直于電場方向和磁場方向射入時 質(zhì)子將做什么運動 2 若電子以速度v0從兩板的正中央垂直于電場方向和磁場方向射入時 電子將做什么運動 思路點撥 粒子帶正電 在復合場中同時受到靜電力和洛倫茲力 且方向相反 粒子恰好能沿直線勻速運動 說明受到的合力一定為零 即F電 F洛 答案 1 勻速直線運動 2 勻速直線運動 1 洛倫茲力能對電荷做功嗎 提示 洛倫茲力永不做功 洛倫茲力的大小F qvBsin 與運動電荷的速度大小有關 但它的方向始終與速度方向垂直 只能改變速度的方向 不能改變速度的大小 即洛倫茲力永遠不會對運動電荷做功 2 電視機顯像管中應用了哪些物理原理 教材資料分析 思考與討論 導線中帶電粒子的定向運動形成了電流 推導時仍然可以認為做定向移動的電荷為正電荷 所得結果具有普遍性 點撥 如圖所示 設有一段長度為L的通電導線 橫截面積為S 單位體積中含有的電荷數(shù)為n 每個自由電荷的電荷量為q 它向右移動的平均速率為v 用安培力的表達式F IBLsin 可以導出洛倫茲力的表達式 式中力 磁感應強度 電荷量 速度的單位分別為牛頓 N 特斯拉 T 庫侖 C 米每秒 m s 思考與討論 根據(jù)洛倫茲力 的速度有什么影響 洛倫茲力對帶電粒子做的功是多少 點撥 F洛 v F洛僅改變粒子速度方向 不改變速度大小 因F洛 v F洛對帶電粒子永不做功 思考與討論 從圖 偏轉(zhuǎn)磁場應該怎樣變化 點撥 1 要使電子束打在A點 由左手定則可判斷出偏轉(zhuǎn)磁場方向應豎直向上 判斷時注意電子運動方向與電流方向相反 四指應指向電子運動方向的反方向 另外 教材圖是俯視圖 A點相當干顯像管的里面一側 并不是上面一點 2 磁場方向應豎直向下 3 磁場應由向上逐漸減小到零 再由零變?yōu)橄蛳虏⒅饾u增大 以下說法中 正確的是 A 電荷處于磁場中一定受到洛倫茲力B 運動電荷在磁場中一定受到洛倫茲力C 洛倫茲力對運動電荷一定不做功D 洛倫茲力可改變運動電荷的速度解析 當v等于0或v平行B時 洛倫茲力為零 A B均錯 洛倫茲力總與運動方向垂直 對運動電荷不做功 不改變速度的大小 只改變速度的方向 C D均正確 答案 CD 跟蹤發(fā)散 1 1 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 19C 經(jīng)過電壓為1880V的電場加速后 垂直進入磁感應強度為5 0 10 4T的勻強磁場中 質(zhì)子所受洛倫茲力多大 答案 4 8 10 17N 如圖所示 擺球帶負電的單擺 在一勻強磁場中擺動 勻強磁場的方向垂直紙面向里 擺球在A B間擺動過程中 由A擺到最低點C時 擺線拉力大小為F1 擺球加速度大小為a1 由B擺到最低點C時 擺線拉力的大小為F2 擺球加速度大小為a2 則 A F1 F2 a1 a2B F1 F2 a1 a2C F1 F2 a1 a2D F1 F2 a1 a2 反思總結 帶電體在洛倫茲力和其他力共同作用下的運動 通常按分析處理力學問題的常規(guī)思路進行分析 先分析物體的受力情況 再根據(jù)牛頓第二定律或從能量的觀點列方程討論計算 跟蹤發(fā)散 2 1 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 設斜面足夠長 g 10m s2 問 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 答案 1 負 2 3 46m s 3 1 2m 如右圖所示 質(zhì)量為m的帶正電的小球能沿豎直的絕緣墻豎直下滑 磁感應強度為B的勻強磁場方向水平 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為 最大加速度為 思路點撥 對帶電小球受力分析 分方向研究各力的關系 水平方向上的力與豎直方向上的力因速度的變化會相互牽連 最后應用牛頓定律 力與加速度的瞬時關系解決問題 解析 小球沿墻豎直下滑 由左手定則可知小球受洛倫茲力方向向左 對小球進行受力分析 小球受重力mg 洛倫茲力qvB 墻面給小球的支持力FN和摩擦力Ff 如圖所示 在這些力的作用下 小球?qū)黾铀俣戎饾u減小的加速運動 直到加速度a 0 小球就會持續(xù)勻速運動狀態(tài)直到有其他外力來迫使它改變 根據(jù)各對應規(guī)律列出方程 F qvBFf FNFN F 0mg Ff ma整理得 mg qvB ma 跟蹤發(fā)散 3 1 一個帶正電的微粒 重力不計 穿過如右圖所示的勻強磁場和勻強電場區(qū)域時 恰能沿直線運動 則欲使電荷向下偏轉(zhuǎn)時應采用的辦法是 A 增大電荷質(zhì)量B 增大電荷電荷量C 減小入射速度D 增大磁感應強度 解析 粒子在穿過這個區(qū)域時所受的力為 豎直向下的電場力Eq和豎直向上的洛倫茲力qvB 且此時Eq qvB 若要使電荷向下偏轉(zhuǎn) 需使Eq qvB 則減小速度v 減小磁感應強度B或增大電場強度E均可 答案 C 1 一個運動電荷通過某一空間時 沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn) 那么就這個空間是否存在電場或磁場 下列說法中正確的是 A 一定不存在電場B 一定不存在磁場C 一定存在磁場D 可以既存在磁場 又存在電場 解析 運動電荷沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn) 說明速度方向沒變 此空間可以存在電場 如運動方向與電場方向在同一直線上 也可以存在磁場 如v平行B 也可能既有電場 又有磁場 如正交的電磁場 qE qvB時 答案 D 2 來自宇宙的質(zhì)子流 以與地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一點 則這些質(zhì)子在進入地球周圍的空間時 將 A 豎直向下沿直線射向地面B 相對于預定地點 稍向東偏轉(zhuǎn)C 相對于預定地點 稍向西偏轉(zhuǎn)D 相對于預定地點 稍向北偏轉(zhuǎn) 答案 B 3 2011 長春高二檢測 在方向如圖所示的勻強電場 場強為E 和勻強磁場 磁感應強度為B 共存的場區(qū)中 一電子沿垂直電場線和磁感線的方向以速度v0射入場區(qū) 設電子射出場區(qū)時的速度為v 則 A 若v0 E B 電子沿軌跡 運動 射出場區(qū)時 速度v v0B 若v0 E B 電子沿軌跡 運動 射出場區(qū)時 速度v v0C 若v0 E B 電子沿軌跡 運動 射出場區(qū)時 速度v v0D 若v0 E B 電子沿軌跡 運動 射出場區(qū)時 速度v v0 答案 BC 4 如圖所示 勻強電場的方向豎直向上 勻強磁場的方向垂直紙面向里 三個油滴a b c帶有等量同種電荷 其中a靜止 b向右做勻速運動 c向左做勻速運動 比較它們的重力Ga Gb Gc間的關系 正確的是 A Ga最大B Gb最大C Gc最大D Gb最小解析 由于a靜止 Ga qE 電場力向上 帶正電荷 由左手定則可知 b受洛倫茲力方向向上 Gb qE qvB c受洛倫茲力的方向向下 Gc qvB qE 由此可知 Gb Ga Gc 故B正確 答案 B 5 如下圖所示 a為帶正電的小物塊 b是一不帶電的絕緣物塊 a b疊放于粗糙的水平地面上 地面上方有垂直紙面向里的勻強磁場 現(xiàn)用水平恒力F拉b物塊 使a b一起無相對滑動地向左加速運動 在加速運動階段 A a b一起運動的加速度減小B a b一起運動的加速度增大C a b物塊間的摩擦力減小D a b物塊間的摩擦力增大 解析 1 以a為研究對象 分析a的受力情況a向左加速 受洛倫茲力方向向下 對b的壓力增大 2 以a b整體為研究對象 分析整體受的合外力b對地面壓力增大 b受的摩擦力增大 整體合外力減小 加速度減小 3 再分析a b對a的摩擦力是a的合外力a的加速度減小 a的合外力減小 a b間的摩擦力減小 答案 AC 練規(guī)范 練技能 練速度 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