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1、
第2節(jié) 磁場對運動電荷的作用
學(xué) 習(xí) 目 標
知 識 脈 絡(luò)
1.通過實驗,探究磁場對運動電荷的作用力.(重點)
2.知道什么是洛倫茲力,能計算洛倫茲力的大小,會判斷洛倫茲力的方向.(重點)
3.知道洛倫茲力與安培力之間的關(guān)系,能從安培力的計算公式推導(dǎo)出洛倫茲力的計算公式.(難點)
磁 場 對 運 動 電 荷 有 作 用 嗎
1.磁場對靜止電荷的作用
―→
↓
―→
2.磁場對運動電荷的作用
1.靜止的帶電粒子在磁場中也要受到磁場的作用.(×)
2.帶電粒子只要在磁場中運動,就一定會受到磁場的作用力.(×)
電子流
2、在磁場中偏轉(zhuǎn)說明了什么問題?
【提示】 磁場對運動電荷有力的作用.
從 安 培 力 到 洛 倫 茲 力
1.洛倫茲力
(1)定義:磁場對運動電荷的作用力.
(2)與安培力的關(guān)系:安培力是大量運動電荷受到洛倫茲力的宏觀表現(xiàn).
2.洛倫茲力的計算公式
(1)如果帶電粒子速度方向與磁感應(yīng)強度方向垂直,f=qvB.
(2)如果電荷運動的方向與磁場方向夾角為θ,f=qvBsin_θ.
3.左手定則:伸開左手,拇指與其余四指垂直,且處于同一平面內(nèi),讓磁感線垂直穿過手心,四指向正電荷運動的方向,那么拇指所指的方向就是正電荷所受洛倫茲力的方向.
1.電荷垂直磁場運動
3、時,洛倫茲力最小,平行磁場運動時洛倫茲力最大.(×)
2.洛倫茲力始終與帶電粒子的運動方向垂直,故洛倫茲力永遠不做功.(√)
3.洛倫茲力在勻強磁場中一般是變力,而電場力在勻強電場中是恒力.(√)
怎樣判斷負電荷在磁場中運動時受洛倫茲力的方向?
【提示】 負電荷在磁場中受力的方向與正電荷受力的方向相反,利用左手定則時四指應(yīng)指向負電荷運動的反方向.
如圖6-2-1所示,直導(dǎo)線長為L,導(dǎo)線中單位體積電荷數(shù)為n,橫截面積為S,電荷的電量為q,運動速度為v,磁感應(yīng)強度為B.
圖6-2-1
探討1:導(dǎo)線中的電流是多少?導(dǎo)線所受的安培力多大?
【提示】 I=nqSv;F=B
4、IL=nqSvBL.
探討2:每個自由電荷所受洛倫茲力是多少?
【提示】 F洛===qvB.
1.洛倫茲力與安培力的區(qū)別和聯(lián)系
(1)區(qū)別:①洛倫茲力是指單個運動帶電粒子所受的磁場力,而安培力是指通電直導(dǎo)線所受到的磁場力.
②洛倫茲力永遠不做功,而安培力可以做功.
(2)聯(lián)系:①安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn),洛倫茲力是安培力的微觀解釋.
②大小關(guān)系:F安=NF洛(N是導(dǎo)體中定向運動的電荷數(shù))
③方向關(guān)系:洛倫茲力與安培力的方向均可用左手定則進行判斷.
2.洛倫茲力的計算公式:F=qvBsin θ(θ為v與B的夾角)
(1)當v=0時,F(xiàn)=0,即靜止電荷在磁場中受到的
5、作用力一定為0;
(2)當θ=0°或θ=180°時,F(xiàn)=0,即帶電粒子的運動方向與磁場方向互相平行時,不受洛倫茲力;
(3)當θ=90°時,F(xiàn)=qvB,此時洛倫茲力最大.
1.(多選)下列說法正確的是( )
A.所有電荷在電場中都要受到電場力的作用
B.所有電荷在磁場中都要受到洛倫茲力的作用
C.一切運動電荷在磁場中都要受到洛倫茲力的作用
D.運動電荷在磁場中,只有當垂直于磁場方向的速度分量不為零時,才受到洛倫茲力的作用
【解析】 電荷在電場中受電場力F=qE,不管運動還是靜止都一樣,故A對;電荷在磁場中的運動方向與磁場不平行時則一定受洛倫茲力作用.
【答案】 AD
6、2.關(guān)于帶電粒子在勻強電場和勻強磁場中的運動,下列說法正確的是( )
A.帶電粒子沿電場線射入,電場力對帶電粒子做正功,粒子動能一定增加
B.帶電粒子垂直于電場線方向射入,電場力對帶電粒子不做功,粒子動能不變
C.帶電粒子沿磁感線方向射入,洛倫茲力對帶電粒子做正功,粒子動能一定不變
D.不管帶電粒子怎樣進入磁場,洛倫茲力對帶電粒子都不做功,粒子動能不變
【解析】 帶電粒子在電場中受到的電場力F=qE,只與電場有關(guān),與粒子的運動狀態(tài)無關(guān),功的正負由θ角(力與位移方向的夾角)決定,對選項A,只有粒子帶正電時才成立,A錯誤.垂直射入勻強電場的帶電粒子,不管帶電性質(zhì)如何,電場力都會做正功,
7、動能增加,B錯.帶電粒子沿磁感線方向射入,不受洛倫茲力作用,粒子做勻速直線運動,洛倫茲力不做功,C錯.不管帶電粒子怎樣進入磁場,由于洛倫茲力方向始終與速度方向垂直,故洛倫茲力對帶電粒子始終不做功,粒子動能不變,D正確.
【答案】 D
3.關(guān)于電荷在磁場中的運動速度、磁場和電荷受到的洛倫茲力三者之間的方向關(guān)系,其中正確的是( )
【解析】 根據(jù)左手定則,A中電荷所受洛倫茲力方向向下,A正確;B中電荷所受洛倫茲力方向向下,B錯誤;C中電荷運動方向與磁場方向平行,不受洛倫茲力,C錯誤;D中電荷所受洛倫茲力方向垂直紙面向外,D錯誤.
【答案】 A
4.如圖6-2-2所示,各圖中勻強磁場
8、的磁感應(yīng)強度均為B,帶電粒子的速率均為v,所帶電荷量均為q,試求出各圖中帶電粒子所受洛倫茲力的大小,并標出洛倫茲力的方向.
圖6-2-2
【解析】 甲:因為v與B垂直,所以F=qvB,方向與v垂直斜向左上方,如圖.
乙:v與B的夾角為30°,v取與B的垂直分量,則F=qvBsin 30°=qvB,方向垂直紙面向里,圖略.
丙:由于v與B平行,所以帶電粒子不受洛倫茲力,圖略.
丁:因為v與B垂直,所以F=qvB,方向與v垂直斜向左上方,如圖.
【答案】 見解析
5.質(zhì)量為0.1 g的小物塊,帶有5×10-4 C的電荷量,放在傾角為30°的絕緣光滑斜面上,整個斜面置于0.5
9、T的勻強磁場中,磁場方向如圖6-2-3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取10 m/s2),問:
【導(dǎo)學(xué)號:34022033】
圖6-2-3
(1)物塊帶電性質(zhì)如何?
(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?
【解析】 (1)由左手定則可知物塊帶負電荷.
(2)當物塊離開斜面時,物塊對斜面壓力為0,受力如圖所示,則qvB-mgcos 30°=0,解得v=3.46 m/s.
(3)由動能定理得mgsin 30°·L=mv2,解得物塊在斜面上滑行的最大距離L=1.2 m.
【答案】 (1)負電 (2)3.46 m/s(3)1.2 m
1.電荷在電場中一定受電場力的作用.
2.靜止的電荷在磁場中一定不受磁場力的作用.
3.運動的電荷在磁場中可能不受磁場力的作用,例如當運動方向與磁場方向平行時.
4.安培力可以做正功,也可以做負功.
5.洛倫茲力在任何時候都不做功.
5