2018版 第3章 5 運動電荷在磁場中受到的力

《2018版 第3章 5 運動電荷在磁場中受到的力》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2018版 第3章 5 運動電荷在磁場中受到的力（11頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、5　運動電荷在磁場中受到的力 學 習 目 標 知 識 脈 絡 1.通過實驗探究，感受磁場對運動電荷有力的作用． 2．知道什么是洛倫茲力，會用左手定則判斷洛倫茲力的方向．(重點) 3．了解洛倫茲力公式的推導過程，會用公式分析求解洛倫茲力．(重點) 4．了解電視顯像管的基本構(gòu)造和工作原理．(難點) 洛倫茲力的方向和大小 1．洛倫茲力 (1)定義：運動電荷在磁場中所受的力． (2)洛倫茲力與安培力的關系：通電導體在磁場中所受的安培力是導體中運動電荷所受洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)． 2．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

2、掌在同一個平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進入，并使四指指向正電荷運動的方向，這時拇指所指的方向就是運動的正電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向，負電荷受力的方向與正電荷受力的方向相反． (2)洛倫茲力方向的特點：F⊥B，F(xiàn)⊥v，即F垂直于B和v所決定的平面． 3．洛倫茲力的大小 (1)當v與B成θ角時：F＝Bqvsin_θ. (2)當v⊥B時：F＝qvB. (3)當v∥B時：F＝0. 1．運動電荷在磁感應強度不為零的地方，一定會受到洛倫茲力的作用．(×) 2．運動電荷在某處不受洛倫茲力的作用，則該處的磁感應強度一定為零．(×) 3．用左手定則判斷洛倫茲力方向時，“四指的指向”與正電荷定向

3、移動方向相同．(√) 4．洛倫茲力對運動電荷不做功．(√) 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，利用左手定則判斷時，應使四指指向負電荷運動的反方向． 如圖3-5-1所示，正電荷q以速度v進入勻強磁場中，速度與磁感應強度方向間的夾角為θ. 圖3-5-1 探討1：電荷q所受的洛倫茲力的方向沿什么方向？ 【提示】　垂直于紙面向里． 探討2：電荷q所受的洛倫茲力是多大？ 【提示】　qvBsin θ. 1．對洛倫茲力方向的理解 (1)洛倫茲力的方向總是與電荷運動方向和磁場方向垂直，即洛倫茲力的

4、方向總是垂直于電荷運動方向和磁場方向所決定的平面，F(xiàn)、B、v三者的方向關系是：F⊥B、F⊥v，但B與v不一定垂直． (2)洛倫茲力的方向隨電荷運動方向的變化而變化．但無論怎么變化，洛倫茲力都與運動方向垂直，故洛倫茲力永不做功，它只改變電荷運動方向，不改變電荷速度大?。? 2．洛倫茲力與安培力的關系：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實質(zhì)． (1)方向：洛倫茲力的方向與運動電荷形成的等效電流的安培力方向相同． (2)大?。阂欢瓮妼Ь€所受安培力大小等于該段導線內(nèi)所有運動電荷所受洛倫茲力的矢量和． 3．推導洛倫茲力公式：設有一段長為L，橫截面積為S的直導線，單位體積內(nèi)的自由

5、電荷數(shù)為n，每個自由電荷的電荷量為q，自由電荷定向移動的速率為v.這段通電導線垂直磁場方向放入磁感應強度為B的勻強磁場中． 圖3-5-2 (1)根據(jù)電流的定義式可知通電導線中的電流I＝＝＝nqSv. (2)通電導線所受的安培力F安＝BIL＝B(nqSv)L. (3)這段導線內(nèi)的自由電荷數(shù)N＝nSL. (4)每個電荷所受的洛倫茲力F洛＝＝＝qvB. 4．對公式的理解 (1)適用條件：運動電荷的速度方向與磁場方向垂直，當v＝0時，F(xiàn)洛＝0，即相對磁場靜止的電荷不受洛倫茲力作用． (2)B、v夾角對洛倫茲力的影響： ①當θ＝90°時，v⊥B，sin θ＝1，F(xiàn)洛＝qvB，即運動

6、方向與磁場垂直時，洛倫茲力最大． ②當v∥B時，θ＝0°，sin θ＝0，F(xiàn)洛＝0，即運動方向與磁場平行時，不受洛倫茲力． ③若不垂直，F(xiàn)洛＝qvBsin θ. 5．洛倫茲力與電場力的比較 洛倫茲力 電場力 性質(zhì) 磁場對在其中運動的電荷的作用力 電場對放入其中電荷的作用力 產(chǎn)生條件 v≠0且v不與B平行 電場中無論電荷處于何種狀態(tài)F≠0 大小 F＝qvB(v⊥B) F＝qE 方向 滿足左手定則F⊥B、F⊥v 正電荷受力方向與電場方向相同，負電荷受力方向與電場方向相反 做功情況 任何情況下都不做功 可能做正功、負功，也可能不做功 作用效果 只改變電

7、荷運動的速度方向，不改變速度大小 既可以改變電荷運動的速度大小，也可以改變電荷運動的方向 1．帶電粒子(重力不計)穿過飽和蒸汽時，在它走過的路徑上飽和蒸汽便凝成小液滴，從而顯示了粒子的徑跡，這是云室的原理，如圖3-5-3所示是云室的拍攝照片，云室中加了垂直于照片向外的勻強磁場，圖中oa、ob、oc、od是從o點發(fā)出的四種粒子的徑跡，下列說法中正確的是(　　) 【導學號：34522040】 圖3-5-3 A．四種粒子都帶正電 B．四種粒子都帶負電 C．打到a、b點的粒子帶正電 D．打到c、d點的粒子帶正電 【解析】　由左手定則知打到a、b點的粒子帶負電，打到c、d點的

8、粒子帶正電，D正確． 【答案】　D 2．在圖3-5-4所示的各圖中，勻強磁場的磁感應強度均為B，帶電粒子的速率均為v，帶電荷量均為q.試求出圖中帶電粒子所受洛倫茲力的大小，并指出洛倫茲力的方向． 圖3-5-4 【解析】　(1)因v⊥B，所以F＝qvB，方向與v垂直向左上方． (2)v與B的夾角為30°，將v分解成垂直磁場的分量和平行磁場的分量，v⊥＝vsin 30°，F(xiàn)＝qvBsin 30°＝qvB，方向垂直紙面向里． (3)由于v與B平行，所以不受洛倫茲力． (4)v與B垂直，F(xiàn)＝qvB，方向與v垂直向左上方． 【答案】　(1)qvB　垂直v向左上方 (2)qvB　垂直

9、紙面向里 (3)不受洛倫茲力 (4)qvB　垂直v向左上方 有關洛倫茲力的兩點注意： (1)用左手定則判斷洛倫茲力方向時，要特別注意運動電荷的正負，四指應指向正電荷運動的方向，指向負電荷運動的反方向． (2)計算洛倫茲力的大小時，應注意弄清v與磁感應強度B的方向關系．當v⊥B時，洛倫茲力F＝qvB，當v∥B時，F(xiàn)＝0，當v與B成θ角(0<θ<90°)時，應將v(或B)進行分解取它們垂直的分量計算． 電視顯像管的工作原理 1．構(gòu)造：如圖3-5-5所示，由電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈和熒光屏組成． 圖3-5-5 2．原理 (1)電子槍發(fā)射電子． (2)電子束在磁場

10、中偏轉(zhuǎn)． (3)熒光屏被電子束撞擊發(fā)光． 3．掃描：在偏轉(zhuǎn)區(qū)的水平方向和豎直方向都有偏轉(zhuǎn)磁場，其方向、強弱都在不斷變化，使得電子束打在熒光屏上的光點從上向下、從左向右不斷移動． 4．偏轉(zhuǎn)線圈：使電子束偏轉(zhuǎn)的磁場是由兩對線圈產(chǎn)生的． 1．電子束帶負電，在顯像管偏轉(zhuǎn)磁場中的偏轉(zhuǎn)方向與磁場方向相反．(×) 2．顯像管中偏轉(zhuǎn)磁場使電子所受到的洛倫茲力方向，仍遵守左手定則．(√) 3．在偏轉(zhuǎn)區(qū)豎直方向的偏轉(zhuǎn)磁場使電子束發(fā)生水平方向的移動．(√) 顯像管工作時，電子束是依次掃描熒光屏上各點，可為什么我們覺察不到熒光屏的閃爍？ 【提示】　這是由于眼睛的視覺暫留現(xiàn)象，當電子束掃描頻率達

11、到人眼的臨界閃爍頻率時，由于視覺暫留的原因，人眼就感覺不到熒光屏的閃爍． 如圖3-5-6所示，是一橫截面邊長為a的正方形的金屬導體．勻強磁場B沿x軸正方向．設自由電子定向移動速度為v. 圖3-5-6 探討1：金屬導體上、下兩個側(cè)面，哪個側(cè)面的電勢較高？ 【提示】　上側(cè)面． 探討2：導體上、下兩個側(cè)面的電勢差是多大？ 【提示】　Bva. 1．速度選擇器 圖3-5-7 如圖3-5-7所示，D1和D2是兩個平行金屬板，分別連在電源的兩極上，其間有一電場強度為E的電場，同時在此空間加有垂直于電場方向的磁場，磁感應強度為B.S1、S2為兩個小孔，且S1與S2連線方向

12、與金屬板平行．速度沿S1、S2連線方向從S1飛入的帶電粒子只有做直線運動才可以從S2飛出．因此能從S2飛出的帶電粒子所受的電場力與洛倫茲力平衡，即qE＝qvB.故只要帶電粒子的速度滿足v＝，即使電性不同，比荷不同，也可沿直線穿出右側(cè)的小孔S2，而其他速度的粒子要么上偏，要么下偏，無法穿出S2.因此利用這個裝置可以達到選擇某一速度帶電粒子的目的，故稱為速度選擇器． 2．磁流體發(fā)電機 如圖3-5-8所示，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，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

13、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(cè)面垂直磁場射入板間，不計氣體電阻，外電路電阻為R，則兩板間可能達到的最大電壓和最大電流為多少？ 圖3-5-8 如圖3-5-9所示，運動電荷在磁場中受洛倫茲力作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，正、負離子分別到達B、A極板(B為電源正極，故電流方向從b到a)，使A、B板間產(chǎn)生勻強電場，在電場力的作用下偏轉(zhuǎn)逐漸減弱，當?shù)入x子體不發(fā)生偏轉(zhuǎn)即勻速穿過時，有qvB＝qE，所以此時兩極板間電勢差U＝Ed＝Bdv，據(jù)閉合電路歐姆定律可得電流大小I＝. 圖3-5-9 3．霍爾效應 如圖3-5-10所示，厚度為h，寬度為d的導體板放

14、在垂直于它的磁感應強度為B的勻強磁場中．當電流按如圖方向通過導體板時，在導體板的上側(cè)面A和下側(cè)面A′之間會產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應．實驗表明，當磁場不太強時，電勢差U、電流I和B的關系為U＝k，式中的比例系數(shù)k稱為霍爾系數(shù)． 圖3-5-10 霍爾效應可解釋如下：外部磁場的洛倫茲力使運動的電子聚集在導體板的一側(cè)，在導體板的另一側(cè)會出現(xiàn)多余的正電荷，從而形成橫向電場．橫向電場對電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電場力．當靜電場力與洛倫茲力達到平衡時，導體板上下兩側(cè)面之間就會形成穩(wěn)定的電勢差．由U＝k可得B＝，這也是一種測量磁感應強度B的方法． 4．電磁流量計 (1)原理 如圖3-

15、5-11所示是電磁流量計的示意圖，在非磁性材料做成的圓管道外加一勻強磁場區(qū)域，當管中的導電液體流過此磁場區(qū)域時，測出管壁上a、b兩點間的電勢差U，就可以知道管中液體的流量Q(m3/s)——單位時間內(nèi)流過液體的體積． 圖3-5-11 (2)流量的計算 電荷隨液體流動，受到豎直方向的洛倫茲力，使正負電荷在上下兩側(cè)聚集，形成電場．當電場力與洛倫茲力平衡時，達到穩(wěn)態(tài)，此時q＝qvB得v＝，液體流量Q＝v＝. 3．顯像管原理的示意圖如圖3-5-12所示，當沒有磁場時，電子束將打在熒光屏正中的O點，安裝在管徑上的偏轉(zhuǎn)線圈可以產(chǎn)生磁場，使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)．設垂直紙面向里的磁場方向為正方向，若使

16、電子打在熒光屏上的位置由a點逐漸移動到b點，下列變化的磁場能夠使電子發(fā)生上述偏轉(zhuǎn)的是(　　) 圖3-5-12 【解析】　電子偏轉(zhuǎn)到a點時，根據(jù)左手定則可知，磁場方向垂直紙面向外，對應的B－t圖的圖線應在t軸下方；電子偏轉(zhuǎn)到b點時，根據(jù)左手定則可知，磁場方向垂直紙面向里，對應的B-t圖的圖線應在t軸上方，A正確． 【答案】　A 4．(多選)不計重力的負粒子能夠在如圖3-5-13所示的正交勻強電場和勻強磁場中勻速直線穿過．設產(chǎn)生勻強電場的兩極板間電壓為U，距離為d，勻強磁場的磁感應強度為B，粒子帶電荷量為q，進入速度為v，以下說法正確的是(　　) 【導學號：34522041】

17、 圖3-5-13 A．若同時增大U和B，其他條件不變，則粒子一定能夠沿直線穿過 B．若同時減小d和增大v，其他條件不變，則粒子可能沿直線穿過 C．若粒子向下偏，且能夠飛出極板間，則粒子動能一定減小 D．若粒子向下偏，且能夠飛出極板間，則粒子的動能有可能不變 【解析】　粒子能夠直線穿過，則有q＝qvB，即v＝，若U、B增大的倍數(shù)不同，粒子不能沿直線穿過，A錯誤；同理若d減小幾倍，v增大幾倍，粒子仍能沿直線穿過，B正確；粒子向下偏，電場力做負功，又W洛＝0，所以ΔEk<0，C項正確，D項錯誤． 【答案】　BC 帶電粒子做勻速直線運動的分析技巧 1．電場和磁場的方向互相垂直． 2．分析 11/11