物理 第三章 磁場(chǎng) 5 運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力 新人教版選修3-1

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1、5運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力1知道什么是洛倫茲力利用左手定則判斷洛倫茲力的方向2知道洛倫茲力大小的推導(dǎo)過程3掌握垂直進(jìn)入磁場(chǎng)方向的帶電粒子所受洛倫茲力大小的計(jì)算4了解v和B垂直時(shí)的洛倫茲力大小及方向判斷理解洛倫茲力對(duì)電荷不做功 5了解電視顯像管的工作原理教學(xué)目標(biāo)【重點(diǎn)】 (1)利用左手定則會(huì)判斷洛倫茲力的方向 (2)掌握垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入磁場(chǎng)的帶電粒子受到的洛倫茲力大小的計(jì)算【難點(diǎn)】 (1)洛倫茲力對(duì)帶電粒子不做功 (2)洛倫茲力方向的判斷重點(diǎn)難點(diǎn)本節(jié)教材的重點(diǎn)是洛倫茲力的大小、方向和產(chǎn)生條件，其中公式fqvBsin 的推導(dǎo)和應(yīng)用是個(gè)難點(diǎn)，由于洛倫茲力是屬于微觀的力學(xué)范疇，抽象是突出的特點(diǎn)，因此充

2、分借助實(shí)驗(yàn)和已有的知識(shí)來搭橋鋪路是十分重要的一環(huán)本課時(shí)采用實(shí)驗(yàn)為先導(dǎo)的教學(xué)方法，目的是化抽象為具體，使學(xué)生對(duì)洛倫茲力產(chǎn)生鮮明的間接感性認(rèn)識(shí)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣在解決重點(diǎn)知識(shí)上采用實(shí)驗(yàn)、誘導(dǎo)、點(diǎn)撥、思考、講解、自推等方法充分調(diào)動(dòng)學(xué)生思維積極性，提高教學(xué)效果對(duì)于難點(diǎn)的處理采取由事實(shí)出發(fā)進(jìn)行猜想推理推論實(shí)驗(yàn)的過程實(shí)際上是由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證推論，推論證明推理進(jìn)而證實(shí)猜想.教學(xué)建議【導(dǎo)入一】前面我們學(xué)習(xí)了磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力，下面思考兩個(gè)問題：1如何判定安培力的方向(讓學(xué)生上黑板做)若已知圖351中：B4.0102 T，導(dǎo)線長(zhǎng)L10 cm，I1 A求導(dǎo)線所受的安培力大小學(xué)生解答解：FBIL4102 T1 A0

3、.1 m4103 N答：導(dǎo)線受的安培力大小為4103 N.2什么是電流？學(xué)生答電荷的定向移動(dòng)形成電流新課導(dǎo)入教師講述磁場(chǎng)對(duì)電流有力的作用，電流是由電荷的定向移動(dòng)形成的，我們會(huì)想到：這個(gè)力可能是作用在運(yùn)動(dòng)電荷上的，而安培力是作用在運(yùn)動(dòng)電荷上的力的宏觀表現(xiàn)演示實(shí)驗(yàn)觀察磁場(chǎng)陰極射線在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)(95頁圖3.51)：實(shí)驗(yàn)課件教師說明電子射線管的原理：說明陰極射線是燈絲加熱放出電子，電子在加速電場(chǎng)的作用下高速運(yùn)動(dòng)而形成的電子流，轟擊到長(zhǎng)條形的熒光屏上激發(fā)出熒光，可以顯示電子束的運(yùn)動(dòng)軌跡，磁鐵是用來在陰極射線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)的，還應(yīng)明確磁場(chǎng)的方向新課導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)結(jié)果在沒有外磁場(chǎng)時(shí)，電子束沿直線運(yùn)動(dòng)，蹄形磁鐵靠近

4、電子射線管，發(fā)現(xiàn)電子束運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了彎曲學(xué)生用左手定則判斷電子束的彎曲方向?qū)W生分析得出結(jié)論磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有作用引出新課新課導(dǎo)入【導(dǎo)入二】如圖352所示，AB導(dǎo)體桿的兩端分別用細(xì)線懸掛于O1、O2兩點(diǎn)，AB導(dǎo)體桿處于豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中提問：當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，原本處于靜止?fàn)顟B(tài)的導(dǎo)體桿狀態(tài)將如何？通電直導(dǎo)線在垂直于自身的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中會(huì)受到安培力的作用依據(jù)左手定則，AB導(dǎo)體桿受到一個(gè)垂直黑板向里的安培力，因此AB導(dǎo)體桿將向黑板里的方向運(yùn)動(dòng)新課導(dǎo)入那么，安培力產(chǎn)生的本質(zhì)原因是什么呢？開關(guān)的閉合與斷開關(guān)系到導(dǎo)體桿是否受到安培力開關(guān)的閉合與斷開到底有什么本質(zhì)上的不同？開關(guān)閉合后，AB中有定向移動(dòng)的電荷，此時(shí)AB

5、導(dǎo)體桿受到安培力開關(guān)斷開后，AB中沒有定向移動(dòng)的電荷，AB導(dǎo)體桿不受安培力.新課導(dǎo)入1.運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中所受的力,叫作洛倫茲力.2.洛倫茲力的方向:使用左手定則判定.判定方法: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);讓磁感線從掌心進(jìn)入,并使四指指向 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)電荷所受洛倫茲力的方向與正電荷所受洛倫茲力的方向相反. 洛倫茲力的方向知識(shí)必備知識(shí)點(diǎn)一正電荷運(yùn)動(dòng)設(shè)磁場(chǎng)的方向與電荷運(yùn)動(dòng)的方向垂直,則洛倫茲力公式為F=qvB.當(dāng)v=0,即電荷與磁場(chǎng)無相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),F=0,這表明了一個(gè)重要結(jié)論:磁場(chǎng)只對(duì)相對(duì)于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的電荷有

6、作用力,而對(duì)相對(duì)于磁場(chǎng)靜止的電荷沒有作用力.洛倫茲力的大小知識(shí)必備知識(shí)點(diǎn)二1.顯像管的工作原理:電視機(jī)顯像管應(yīng)用了電子束磁偏轉(zhuǎn)的道理.2.整個(gè)屏幕發(fā)光的原因:顯像管中的電子槍打出的電子撞擊到.在偏轉(zhuǎn)區(qū)的水平方向和豎直方向都加有偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng),其方向、強(qiáng)弱都周期性變化,使得電子束打在熒光屏上的光點(diǎn)按照一定規(guī)律不斷,我們感到整個(gè)熒光屏都在發(fā)光. 元電荷與比荷知識(shí)必備知識(shí)點(diǎn)三熒光屏移動(dòng)想一想磁場(chǎng)對(duì)電流有力的作用,而電流是由運(yùn)動(dòng)電荷的定向移動(dòng)產(chǎn)生的.那么,這個(gè)力是不是作用在運(yùn)動(dòng)電荷上的呢?磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷是否有力的作用呢?若有力的作用,其方向怎么判定呢?學(xué)習(xí)互動(dòng)洛倫茲力的方向考點(diǎn)一要點(diǎn)總結(jié)1.決定洛倫茲力方向

7、的三個(gè)因素:電荷的正負(fù)、速度方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向.2.洛倫茲力的方向總是與電荷運(yùn)動(dòng)的方向和磁場(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.即F、B、v三個(gè)量的方向關(guān)系是:FB,Fv,但B與v不一定垂直.3.當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化時(shí),洛倫茲力的方向也隨之變化.4.用左手定則判定負(fù)電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所受的洛倫茲力時(shí),應(yīng)注意將四指指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向.學(xué)習(xí)互動(dòng)學(xué)習(xí)互動(dòng)例1試判斷圖351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

8、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于紙面指向紙外;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.圖351學(xué)習(xí)互動(dòng)例2 (多選)如圖3-5-2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()A.導(dǎo)線中的電流方向?yàn)閺腁到BB.導(dǎo)線中的電流方向?yàn)閺腂到AC.要使電子束的徑跡向上彎曲,可以通過改變AB中的電流方向來實(shí)現(xiàn)D.電子束的運(yùn)動(dòng)軌跡與AB中的電流方向無關(guān) 圖3-5-2學(xué)習(xí)互動(dòng)答案 BC解析 電子在通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),無論直導(dǎo)線中的電流方向如何,電子的運(yùn)動(dòng)方向都和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直.根據(jù)左手定則

9、,由于是負(fù)電荷,四指應(yīng)指向左方,根據(jù)電子的偏轉(zhuǎn)方向可以確定磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?根據(jù)安培定則,導(dǎo)線中的電流方向?yàn)閺腂到A.如果導(dǎo)線中的電流方向相反,則其產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也相反,會(huì)影響到電子的偏轉(zhuǎn)方向,故選項(xiàng)B、C正確.想一想運(yùn)動(dòng)電荷所受的洛倫茲力與速度有何關(guān)系?它是否能改變電荷的速度呢?學(xué)習(xí)互動(dòng)洛倫茲力及其特點(diǎn)考點(diǎn)二要點(diǎn)總結(jié)1.洛倫茲力的方向既垂直于磁場(chǎng)的方向又垂直于速度的方向,即垂直于磁場(chǎng)方向和速度方向構(gòu)成的平面.2.洛倫茲力對(duì)電荷不做功,只改變速度的方向,不改變速度的大小.學(xué)習(xí)互動(dòng)學(xué)習(xí)互動(dòng)例3 (多選)如圖3-5-3所示,用細(xì)線吊一個(gè)質(zhì)量為m的帶電絕緣小球,小球處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,空氣

10、阻力不計(jì).小球分別從A點(diǎn)和B點(diǎn)向最低點(diǎn)O運(yùn)動(dòng),當(dāng)小球兩次經(jīng)過O點(diǎn)時(shí) ()A.小球的動(dòng)能相同B.細(xì)線所受的拉力相同C.小球所受的洛倫茲力相同D.小球的向心加速度大小相同圖3-5-3學(xué)習(xí)互動(dòng)答案 AD解析 帶電小球受到的洛倫茲力與細(xì)線的拉力和速度方向時(shí)刻垂直,洛倫茲力對(duì)小球不做功,只改變速度方向,不改變速度大小,只有重力做功,故小球兩次經(jīng)過O點(diǎn)時(shí)速度大小相同,動(dòng)能相同,選項(xiàng)A正確;小球分別從A點(diǎn)和B點(diǎn)向最低點(diǎn)O運(yùn)動(dòng),兩次經(jīng)過O點(diǎn)時(shí)速度方向相反,由左手定則可知兩次經(jīng)過O點(diǎn)時(shí)洛倫茲力方向相反,細(xì)線的拉力大小不同,選項(xiàng)B、C錯(cuò)誤;由a=可知向心加速度大小相同,選項(xiàng)D正確.想一想 安培力是洛倫茲力的宏觀體

11、現(xiàn),能否從安培力入手,推導(dǎo)洛倫茲力的計(jì)算公式?學(xué)習(xí)互動(dòng)洛倫茲力的計(jì)算考點(diǎn)三要點(diǎn)總結(jié)洛倫茲力公式F=qvB的推導(dǎo).如圖3-5-4所示,設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,直導(dǎo)線長(zhǎng)為L(zhǎng),橫截面積為S,電流為I,導(dǎo)線中運(yùn)動(dòng)的電荷數(shù)為n,每個(gè)電荷所帶電荷量為q,運(yùn)動(dòng)速度為v,則安培力F=ILB=nF,所以洛倫茲力F=.因?yàn)镮=NqSv(N為單位體積內(nèi)的電荷數(shù)),所以F=,因n=NSL,故F=qvB.學(xué)習(xí)互動(dòng)圖3-5-4學(xué)習(xí)互動(dòng)例4 如圖3-5-5所示,勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向垂直紙面向外,質(zhì)量為m、帶電荷量為q的小球在傾角為的光滑斜面上由靜止開始下滑.若帶電小球下滑后某個(gè)時(shí)刻對(duì)斜面的壓力恰好為零,問:(重力加速度

12、為g)(1)小球的帶電性質(zhì)如何?(2)此時(shí)小球下滑的速度和位移分別為多大?圖3-5-5學(xué)習(xí)互動(dòng)備用習(xí)題1. 如圖358所示為電視機(jī)顯像管偏轉(zhuǎn)線圈的示意圖，當(dāng)線圈通以圖示的直流電時(shí)，形成的磁場(chǎng)如圖所示，一束沿著管徑軸線射向紙內(nèi)的電子將()A向上偏轉(zhuǎn) B向下偏轉(zhuǎn)C向左偏轉(zhuǎn) D向右偏轉(zhuǎn)圖358答案 D解析 由安培定則可知在管徑軸線處，磁場(chǎng)的方向豎直向下，電子垂直于紙面向里運(yùn)動(dòng)，根據(jù)左手定則可判斷選項(xiàng)D正確 備用習(xí)題2. 2015海南卷 如圖359所示，a是豎直平面P上的一點(diǎn)，P前有一條形磁鐵垂直于P，且S極朝向a點(diǎn)，P后一電子在偏轉(zhuǎn)線圈和條形磁鐵的磁場(chǎng)的共同作用下，在水平面內(nèi)向右彎曲經(jīng)過a點(diǎn)在電子經(jīng)

13、過a點(diǎn)的瞬間，條形磁鐵的磁場(chǎng)對(duì)該電子的作用力的方向()A向上 B向下 C向左 D向右答案 A解析 磁極S在a點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向垂直于豎直面P水平向外，電子在a點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向水平向右，根據(jù)左手定則判斷可知洛倫茲力方向向上選項(xiàng)A正確 圖359備用習(xí)題3. (多選)在如圖所示的勻強(qiáng)電場(chǎng)(場(chǎng)強(qiáng)為E)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)(磁感應(yīng)強(qiáng)度為B)共存的場(chǎng)區(qū)中，一電子(不計(jì)重力)沿垂直電場(chǎng)線和磁感線的方向以速度v0射入場(chǎng)區(qū)，設(shè)電子射出場(chǎng)區(qū)時(shí)的速度為v，則() A若v0 ，電子沿軌跡運(yùn)動(dòng)，射出場(chǎng)區(qū)時(shí)，速度vv0B若v0 ，電子沿軌跡運(yùn)動(dòng)，射出場(chǎng)區(qū)時(shí)，速度vv0C若v0，電子沿軌跡運(yùn)動(dòng)，射出場(chǎng)區(qū)時(shí)，速度vv0D若v0，電子沿軌跡運(yùn)

14、動(dòng)，射出場(chǎng)區(qū)時(shí)，速度vv0備用習(xí)題答案 BC備用習(xí)題4.從地面上方A點(diǎn)處由靜止釋放一電荷量為q、質(zhì)量為m的粒子，地面附近有如圖所示的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)，電場(chǎng)方向水平向右，磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里，粒子落地時(shí)的速度大小為v1；若電場(chǎng)不變，只將磁場(chǎng)的方向改為垂直于紙面向外，粒子落地時(shí)的速度大小為v2，則()Av1v2 Bv1v2Cv1v2 D無法判定備用習(xí)題答案 A解析 帶電粒子下落過程中，受到重力、電場(chǎng)力和洛倫茲力作用，洛倫茲力的方向跟運(yùn)動(dòng)方向垂直，不做功，重力做的功都一樣，但電場(chǎng)力做的功有區(qū)別，若磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里，粒子落下后沿電場(chǎng)力方向移動(dòng)的距離比磁場(chǎng)方向垂直于紙面向外時(shí)的大，則電場(chǎng)力做的

15、功多，故v1v2，選項(xiàng)A正確 備用習(xí)題5. 在垂直于紙面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有一個(gè)固定在水平地面上的光滑半圓槽，一個(gè)帶電荷量為q、質(zhì)量為m的小球在如圖3512所示位置從靜止?jié)L下，小球滾到槽底時(shí)對(duì)槽底的壓力大小等于mg，求圓槽軌道的半徑R.圖3512備用習(xí)題自我檢測(cè)1.(洛倫茲力的方向)圖3-5-6是表示磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B、負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)方向v和磁場(chǎng)對(duì)電荷洛倫茲力F的相互關(guān)系圖,這四個(gè)圖中不正確的是(B、v、F兩兩垂直) ()答案 D解析 應(yīng)用左手定則解決三者間方向的問題,特別要注意“其余四指”的指向.圖3-5-6自我檢測(cè)2.(洛倫茲力做功情況)(多選)下列有關(guān)帶電粒子(不計(jì)重力)運(yùn)動(dòng)的

16、說法中正確的是 ()A.沿著電場(chǎng)線方向飛入勻強(qiáng)電場(chǎng),動(dòng)能一定變化B.沿著磁感線方向飛入勻強(qiáng)磁場(chǎng),動(dòng)能一定變化 C.垂直于電場(chǎng)線方向飛入勻強(qiáng)電場(chǎng),動(dòng)能一定變化D.垂直于磁感線方向飛入勻強(qiáng)磁場(chǎng),動(dòng)能一定不變答案 ACD解析 帶電粒子沿電場(chǎng)線運(yùn)動(dòng),靜電力做功,粒子動(dòng)能發(fā)生變化.帶電粒子垂直于電場(chǎng)線進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng),做類平拋運(yùn)動(dòng),靜電力做功,粒子動(dòng)能一定變化.帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),洛倫茲力不做功,動(dòng)能不變.綜上可知,選項(xiàng)A、C、D正確.自我檢測(cè)3.(洛倫茲力+地磁場(chǎng))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(diǎn),則這些質(zhì)子在進(jìn)入地球周圍的空間時(shí),將 ()A.豎直向下沿直線射向地面B.相對(duì)于預(yù)定地點(diǎn),稍向東偏轉(zhuǎn)C.相對(duì)于預(yù)定地點(diǎn),稍向西偏轉(zhuǎn)D.相對(duì)于預(yù)定地點(diǎn),稍向北偏轉(zhuǎn)答案 B解析 地球表面地磁場(chǎng)方向由南向北,質(zhì)子是氫原子核,帶正電,根據(jù)左手定則可判定,質(zhì)子自赤道上空豎直下落過程中受到的洛倫茲力方向向東,B正確.自我檢測(cè)圖3-5-7自我檢測(cè)自我檢測(cè)答案 C解析 由于帶電油滴進(jìn)入磁場(chǎng)中恰做勻速直線運(yùn)動(dòng),且受到的重力向下,故洛倫茲力方向一定向上.由左手定則可知,油滴一定帶負(fù)電荷,且滿足mg-qv0B=0,所以q= ,故C正確.