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(jìn)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(guān)系 通電導(dǎo)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(jìn)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(dāng)時 F qvB 2 當(dāng)時 F 0 二 電視顯像管的工作原理1 電視顯像管應(yīng)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(shù)中叫做 v B v B 磁偏轉(zhuǎn) 掃描 1 對洛倫茲力的進(jìn)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(fù) 速度方向 磁感應(yīng)強(qiáng)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(fù)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(fù)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(yīng)強(qiáng)度B和速度v的方向 2 洛倫茲力與安培力的關(guān)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(dǎo)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(rèn)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(dāng)導(dǎo)體靜止時才能這樣認(rèn)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(guān) 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(dǎo)洛倫茲力公式設(shè)導(dǎo)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(shè)長度為L的導(dǎo)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(shè)通過的電荷量為Q 有Q nqSL ngS vt 導(dǎo)線與磁場垂直 關(guān)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體上 可以讓導(dǎo)體產(chǎn)生位移 因此能對導(dǎo)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(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 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(yīng)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(cè)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(jī)目前世界上正在研究的一種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)電機(jī) 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(fù)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(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 等離子體流速為v 氣體從一側(cè)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(dá)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(qiáng)電場和勻強(qiáng)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(fù)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(guān) 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(yuǎn)不會對運動電荷做功 2 電視機(jī)顯像管中應(yīng)用了哪些物理原理 教材資料分析 思考與討論 導(dǎo)線中帶電粒子的定向運動形成了電流 推導(dǎo)時仍然可以認(rèn)為做定向移動的電荷為正電荷 所得結(jié)果具有普遍性 點撥 如圖所示 設(shè)有一段長度為L的通電導(dǎo)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(dá)式F IBLsin 可以導(dǎo)出洛倫茲力的表達(dá)式 式中力 磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)干顯像管的里面一側(cè) 并不是上面一點 2 磁場方向應(yīng)豎直向下 3 磁場應(yīng)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(dāng)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(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為5 0 10 4T的勻強(qiáng)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(fù)電的單擺 在一勻強(qiáng)磁場中擺動 勻強(qiáng)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(jié) 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(xué)問題的常規(guī)思路進(jìn)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(qiáng)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(shè)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(fù) 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(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)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(guān)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(yīng)用牛頓定律 力與加速度的瞬時關(guān)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(jìn)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(yīng)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(qiáng)磁場和勻強(qiáng)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(yīng)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(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度B或增大電場強(qiáng)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(jìn)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(yù)定地點 稍向東偏轉(zhuǎn)C 相對于預(yù)定地點 稍向西偏轉(zhuǎn)D 相對于預(yù)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(qiáng)電場 場強(qiáng)為E 和勻強(qiáng)磁場 磁感應(yīng)強(qiáng)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(shè)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(qiáng)電場的方向豎直向上 勻強(qiáng)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(guān)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(qiáng)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(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全