2022年高中物理人教版選修3-1 第三章第五節(jié) 磁場對運(yùn)動電荷的作用力 教案1

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1、 2022年高中物理人教版選修3-1 第三章第五節(jié) 磁場對運(yùn)動電荷的作用力 教案1 三維目標(biāo) 知識與技能 1．知道什么是洛倫茲力； 2．利用左手定則判斷洛倫茲力的方向； 3．知道洛倫茲力大小的推理過程； 4．掌握垂直進(jìn)入磁場方向的帶電粒子所受洛倫茲力大小的計算； 5．理解洛倫茲力對電荷不做功； 6．了解電視機(jī)顯像管的工作原理。 過程與方法 通過洛倫茲力大小的推導(dǎo)過程進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的分析推理能力。 情感態(tài)度與價值觀 讓學(xué)生認(rèn)真體會科學(xué)研究最基本的思維方法：“推理──假設(shè)──實驗驗證”。 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)會觀察、分析、推理，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和研究方法。 教學(xué)重點

2、 1．利用左手定則會判斷洛倫茲力的方向； 2。掌握垂直進(jìn)入磁場方向的帶電粒子，受到洛倫茲力大小的計算。 教學(xué)難點 1．洛倫茲力方向的判斷； 2．理解洛倫茲力對運(yùn)動電荷不做功。 教學(xué)方法 實驗觀察法、講述法、分析推理法。 教學(xué)用具 電子射線管、高壓電源、磁鐵、投影儀、投影片。 教學(xué)過程 ［新課導(dǎo)入］ 電荷的定向移動形成電流，磁場對電流有力的作用，磁場對電流作用的安培力方向用左手定則來判斷。 磁場對電流有力的作用，電流是由電荷的定向移動形成的，我們會想到：這個力可能是作用在運(yùn)動電荷上的，而安培力是作用在運(yùn)動電荷上的力的宏觀表現(xiàn)。 電視顯像管中的電子只是細(xì)細(xì)的束，為什么能使

3、整個屏幕發(fā)光？從宇宙深處射來的帶電粒子為什么只在地球的兩極引起極光？……解開這些問題的鑰匙，就是磁場對運(yùn)動電荷作用的規(guī)律。 【演示】 觀察陰極射線在磁場中的偏轉(zhuǎn) 如圖所示，玻璃管已經(jīng)抽成真空。當(dāng)左右兩個電極按圖示的極性連接到高壓電源時，陰極會發(fā)射電子。電子在電場的加速下飛向陽極。擋板上有一個扁平的狹縫，電子飛過擋板后形成一個扁平的電子束。長條形的熒光板在陽極端稍稍傾向軸線，電子束掠射到熒光板上，顯示出電子束的徑跡。 沒有磁場時電子束是一條直線。用一個蹄形磁鐵在電子束的路徑上加磁場，嘗試不同方向的磁場對電子束徑跡的不同影響，從而判斷運(yùn)動的電子在各種方向的磁場中的受力方向。 我們曾經(jīng)用左

4、手定則判定安培力的方向。能不能用類似的方法判定運(yùn)動電子（電子束）的受力方向？如果運(yùn)動的電荷不是電子，而是帶正電的粒子呢？ 實驗并觀察實驗現(xiàn)象。 結(jié)果：在沒有外磁場時，電子束沿直線運(yùn)動，將蹄形磁鐵靠近陰極射線管，發(fā)現(xiàn)電子束運(yùn)動軌跡發(fā)生了彎曲。說明磁場對運(yùn)動電荷有作用力。 本節(jié)課我們就一起來學(xué)習(xí)磁場對運(yùn)動電荷的作用。 ［新課教學(xué)］ 一、洛倫茲力的方向和大小 1．洛倫茲力 運(yùn)動電荷在磁場中所受的力稱為洛倫茲力。 通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力實際是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。我們用安培定則判斷安培力的方向，因此也可以用安培定則判斷洛倫茲力的方向。 2．洛倫茲力的方向 左手定則：伸開左手，使拇

5、指與其余四個手指垂直，并且都和手掌在一個平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使四指指向正電荷運(yùn)動的方向，這時拇指所指的方向就是運(yùn)動的正電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向。 如果運(yùn)動的是負(fù)電荷，則四指指向負(fù)電荷運(yùn)動的反方向，那么拇指所指的方向就是負(fù)電荷所受洛倫茲力的方向。 洛倫茲力方向與電荷的電性及電荷的運(yùn)動方向有關(guān)，同一電荷在同一位置受力方向也不一定相同。在相同情況下，負(fù)電荷的受力方向與正電荷的受力方向相反。 實驗事實證明以上推斷是正確的。 【思考與討論】 B、v、F三者方向間的相互關(guān)系。 如圖所示，B與v可以垂直，可以不垂直。F總垂直于B與v所在的平面。 【鞏

6、固練習(xí)】 試判斷下圖中所示的帶電粒子剛進(jìn)入磁場時所受的洛倫茲力的方向. 甲中正電荷所受的洛倫茲力方向向上；乙中正電荷所受的洛倫茲力方向向下；丙中正電荷所受的洛倫茲力方向垂直于紙面指向讀者；丁中正電荷所受的洛倫茲力的方向垂直于紙面指向紙里。 3．洛倫茲力的大小 【思考與討論】 導(dǎo)線中帶電粒子的定向運(yùn)動形成了電流。電荷定向運(yùn)動時所受洛倫茲力的合力，表面為導(dǎo)線所受的安培力。按照這個思路，請你嘗試由安培力的表達(dá)式導(dǎo)出洛倫茲力的表達(dá)式。 這時只討論比較簡單的情況：導(dǎo)線的方向與磁場的方向垂直，安培力的大小可以表示為F＝ILB。這種情況下導(dǎo)線是電荷定向運(yùn)動的方向也與磁場的方向垂直。 建議你

7、沿以下邏輯線索前進(jìn)。 1．設(shè)導(dǎo)線中每個帶電粒子定向運(yùn)動的速度都是v，單位體積的粒子數(shù)為n。算出圖中的一段導(dǎo)線中的粒子數(shù)，這就是在時間t內(nèi)通過截面a的粒子數(shù)。如果粒子的電荷量記為q，由此可以算出q與電流I的關(guān)系。 2．寫出這段長為L＝vt的導(dǎo)線所受的安培力F安。 3．求出每個粒子所受的力，它等于洛倫茲力F洛。這時，許多中間量，如n、v、S、t等都應(yīng)不再出現(xiàn)。 推導(dǎo)時仍然可以認(rèn)為做定向運(yùn)動的電荷是正電荷，所得結(jié)果具有普通性。 （1）洛倫茲力公式推導(dǎo) 問題：這段導(dǎo)體所受的安培力為多大？ F安＝ILB 問題：電流I的微觀表達(dá)式是什么？ I＝nqSv 問題：這段導(dǎo)體中含有多少自由電荷

8、數(shù)？ 這段導(dǎo)體中含有的電荷數(shù)為nLS 問題：每個自由電荷所受的洛倫茲力大小為多大？ 安培力F安可以看作是作用在每個運(yùn)動上的洛倫茲力F洛的合力，這段導(dǎo)體中含有的自由電荷數(shù)為nLS，所以 F洛＝ （2）洛倫茲力公式 電荷量為q的粒子以速度v運(yùn)動時，如果速度方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直，那么粒子所受的洛倫茲力為 F＝qvB 公式中各量的單位：F為N，q為C，v為m/s，B為T。 問題：若電荷的運(yùn)動方向不垂直于磁場，電荷受到的洛倫茲力又如何呢？有興趣的同學(xué)課下可以探討一下。 由通電導(dǎo)線不垂直于磁場對受到的安培力入手分析： F安＝ILBsinθ，可得 F＝qvBsinθ＝qvB⊥＝q

9、v⊥B 說明： ①θ角為電荷運(yùn)動方向和磁場方向的夾角； ②θ＝90°時F＝qvB；θ＝0°時F＝0。 ③因為B為矢量，Bsinθ為B在垂直于v方向上的分量；Bcosθ為B沿v方向上的分量。 ④因為v為矢量：F＝qvBsinθ可寫成F＝qBvsinθ。vsinθ理解為v在垂直于B方向上的分量。 【思考與討論】 一下帶電粒子在磁場中運(yùn)動時，洛倫茲力對帶電粒子是否做功？說明理由。 洛倫茲力的方向垂直于v和B組成的平面即洛倫茲力垂直于速度方向，因此，洛倫茲力只改變速度的方向，不改變速度的大小，所以洛倫茲力對電荷不做功。 4．洛倫茲力的特點 （1）運(yùn)動的電荷才有可能受到洛倫茲力，靜止

10、的電荷在磁場中不受洛倫茲力； （2）洛侖茲力的大小和方向都與帶電粒子運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)； （3）洛侖茲力對運(yùn)動電荷不做功，不改變電荷運(yùn)動的速率，只改變電荷的運(yùn)動方向。 【思考與討論】帶電粒子在磁場和電場中受力有什么區(qū)別呢？ ①電場對靜止或運(yùn)動的帶電粒子都有電場力的作用，磁場只對運(yùn)動的帶電粒子有磁場力（洛倫茲力）的作用（條件是v與B不平行）。 ②電場力跟電場強(qiáng)度E的方向相同（正電荷）或相反（負(fù)電荷），洛倫茲力跟磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向垂直。 ③電場力不受粒子運(yùn)動速度的影響，洛倫茲力則與粒子運(yùn)動速度有關(guān)。 二、電視顯像管的工作原理 電視顯像管應(yīng)用了電子束磁偏轉(zhuǎn)的道理。 顯像管中有一個陰極，工

11、作時它能發(fā)射電子，熒光屏被電子撞擊就能發(fā)光?？墒?，很細(xì)的一束電子打在熒光屏上只能使一個點發(fā)光，而實際上要使整個熒光屏發(fā)光，這就要靠磁場來使電子束偏轉(zhuǎn)了。 1．顯像管的構(gòu)成 電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈和熒光屏等。 2．顯像管的工作原理 【思考與討論】 從圖中可以看出，沒有磁場時電子束打在熒光屏正中的O點。為使電子束偏轉(zhuǎn)，由安裝在管頸的偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場。 1．如果要使電子束在水平方向偏離中心，打在熒光屏上的A點，偏轉(zhuǎn)磁場應(yīng)該沿什么方向？ 2．如果要使電子束打在B點，磁場應(yīng)該沿什么方向？ 3．如果要使電子束打在熒光屏上的位置由B點逐漸向A點移動，偏轉(zhuǎn)磁場應(yīng)該怎樣變化？ 引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材相

12、關(guān)內(nèi)容，進(jìn)一步了解顯像管的工作過程，思考并回答問題。 要是電子打在A點，偏轉(zhuǎn)磁場應(yīng)該垂直紙面向外；要是電子打在B點，偏轉(zhuǎn)磁場應(yīng)該垂直紙面向里；要是電子打從A點向B點逐漸移動，偏轉(zhuǎn)磁場應(yīng)該先垂直紙面向外并逐漸減小，然后垂直紙面向里并逐漸增大。 實際上，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(qiáng)弱都在不斷變化，因此電子束打在熒光屏上的光點就像右圖那樣不斷移動，這在電視技術(shù)中叫做掃描。電子束從最上一行到最下一行掃描叫做一場，電視機(jī)中每秒要進(jìn)行50場掃描，所以我們感到整個熒光屏都在發(fā)光。 使電子束偏轉(zhuǎn)的磁場是由兩對線圈產(chǎn)生的，叫做偏轉(zhuǎn)線圈。為了與顯像管的管頸貼在一起，偏轉(zhuǎn)線圈做成馬鞍形，如下圖。 ［小結(jié)］ 本節(jié)課我們主要學(xué)習(xí)了 1．洛倫茲力的定義，即磁場對運(yùn)動電荷的作用； 2．用左手定則判斷洛倫茲力的方向； 3．在安培力的基礎(chǔ)上推導(dǎo)洛倫茲力的計算公式； 4．了解了洛倫茲力對運(yùn)動電荷不做功等特點； 5．學(xué)習(xí)了電視顯像管的工作原理。 ［布置作業(yè)］ 教材第98頁“問題與練習(xí)”。 結(jié)合“問題與練習(xí)”，介紹速度選擇器、磁流體發(fā)電、霍爾效應(yīng)、電磁流量計的原理。