2018-2019版高中物理 第二章 磁場(chǎng) 第4講 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用學(xué)案 新人教版選修1 -1.doc

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第4講　磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用 [目標(biāo)定位]　1.知道什么是洛倫茲力，知道影響洛倫茲力方向的因素.2.會(huì)用左手定則判斷有關(guān)帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)方向的問題.3.了解電子束的磁偏轉(zhuǎn)原理及其在技術(shù)中的應(yīng)用. 一、洛倫茲力 1.物理學(xué)家洛倫茲首先提出，磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用.為了紀(jì)念他，人們稱這種力為洛倫茲力. 2.電子束在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn) (1)沒有磁場(chǎng)時(shí)，電子束沿直線運(yùn)動(dòng). (2)把電子射線管放在蹄形磁鐵的兩極之間后，電子束的徑跡發(fā)生了彎曲. 二、洛倫茲力的方向 帶電粒子在運(yùn)動(dòng)時(shí)受到洛倫茲力，在宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)線受到了安培力. 想一想　通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的安培力方向可以用左手定則來判斷，既然安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，那么洛倫茲力的方向是否也可用左手定則判斷？如果是，四指指向正電荷的運(yùn)動(dòng)方向還是負(fù)電荷的運(yùn)動(dòng)方向. 答案　是.在判斷安培力的方向時(shí)四指指向電流方向，正電荷定向運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较?，所以四指?yīng)指向正電荷的運(yùn)動(dòng)方向，與負(fù)電荷的運(yùn)動(dòng)方向相反. 三、電子束的磁偏轉(zhuǎn) 1.沒有磁場(chǎng)時(shí)，電子束是直進(jìn)的，外加磁場(chǎng)以后，電子束的徑跡變成圓形. 2.磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和電子的速度都能影響圓的半徑. 四、顯像管的工作原理 電視顯像管也用到了電子束磁偏轉(zhuǎn)的原理. 一、對(duì)洛倫茲力的理解 1.定義：磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力叫洛倫茲力.是由荷蘭物理學(xué)家洛倫茲首先提出的. 2.洛倫茲力的方向 (1)安培力實(shí)際上是大量運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，所以洛倫茲力的方向也可由左手定則判定. (2)左手定則：伸開左手，使拇指跟其余四指垂直，且處于同一平面內(nèi)，讓磁感線垂直穿入手心，四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向(若是負(fù)電荷，則四指指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向)，拇指所指的方向就是洛倫茲力的方向. 電荷運(yùn)動(dòng)的方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度B不一定垂直，但洛倫茲力的方向既與磁場(chǎng)方向垂直，又與電荷的運(yùn)動(dòng)方向垂直，即洛倫茲力垂直于v和B兩者所決定的平面. 3.洛倫茲力方向的特點(diǎn) (1)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，所以洛倫茲力永遠(yuǎn)不做功. (2)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. (3)用左手定則判斷負(fù)電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所受的洛倫茲力的方向時(shí)，要注意將四指指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向. 例1　關(guān)于洛倫茲力的方向的判定，以下說法正確的是(　　) A.用左手定則判定洛倫茲力的方向時(shí)，“四指指向”與電荷定向運(yùn)動(dòng)的方向相同 B.用左手定則判定洛倫茲力的方向時(shí)，“四指指向”與電荷運(yùn)動(dòng)形成等效電流的方向相同 C.正電荷在磁場(chǎng)中所受洛倫茲力的方向即是該處磁場(chǎng)方向 D.若將在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)電荷＋q換為－q且速度方向反向，則洛倫茲力方向不變 答案　BD 解析　運(yùn)用左手定則時(shí)，“四指指向”應(yīng)沿電荷定向移動(dòng)形成的等效電流方向，而不一定沿電荷定向移動(dòng)方向，因?yàn)樨?fù)電荷定向移動(dòng)形成電流的方向與其運(yùn)動(dòng)方向反向.通過左手定則所確定的洛倫茲力與磁場(chǎng)之間關(guān)系可知：兩者方向相互垂直，而不是相互平行. 針對(duì)訓(xùn)練1　下圖中，電荷的速度方向、磁場(chǎng)方向和電荷的受力方向之間關(guān)系正確的是(　　) 答案　A 解析　根據(jù)左手定則判斷A正確；判斷時(shí)要注意A、B選項(xiàng)中是負(fù)電荷，其運(yùn)動(dòng)的方向與四指指向相反. 二、洛倫茲力與安培力的區(qū)別和聯(lián)系 1.區(qū)別：洛倫茲力是單個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力，而安培力是導(dǎo)體中所有定向移動(dòng)的自由電荷受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn). 2.聯(lián)系：洛倫茲力與安培力的方向一致，均可用左手定則進(jìn)行判斷. 例2　關(guān)于靜電力與洛倫茲力，以下說法正確的是(　　) A.電荷只要處在電場(chǎng)中，就會(huì)受到靜電力，而電荷靜止在磁場(chǎng)中，有可能受到洛倫茲力 B.靜電力對(duì)在其電場(chǎng)中的電荷一定會(huì)做功，而洛倫茲力對(duì)在磁場(chǎng)中的電荷卻不會(huì)做功 C.靜電力與洛倫茲力一樣，受力方向都在電場(chǎng)線和磁感線上 D.只有運(yùn)動(dòng)的電荷在磁場(chǎng)中才可能會(huì)受到洛倫茲力的作用 答案　D 解析　電荷受靜電力及洛倫茲力的條件及兩種力的方向規(guī)律都不同. 針對(duì)訓(xùn)練2　關(guān)于安培力、電場(chǎng)力和洛倫磁力，下列說法正確的是(　　) A.電荷在電場(chǎng)中一定受電場(chǎng)力作用，電荷在磁場(chǎng)中一定受洛倫茲力作用 B.電荷所受電場(chǎng)力一定與該處電場(chǎng)方向一致，電荷所受的洛倫茲力不一定與磁場(chǎng)方向垂直 C.安培力和洛倫茲力的方向均可用左手定則判斷 D.安培力和洛倫茲力本質(zhì)上都是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用，安培力可以對(duì)通電導(dǎo)線做功，洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷也做功 答案　C 解析　電荷在電場(chǎng)中一定受電場(chǎng)力作用，但是運(yùn)動(dòng)的電荷的速度方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)電荷才受洛倫茲力的作用，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；正電荷所受電場(chǎng)力一定與該處電場(chǎng)方向一致，負(fù)電荷所受電場(chǎng)力一定與該處電場(chǎng)方向相反，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；安培力和洛倫茲力的方向均可用左手定則判斷，選項(xiàng)C正確；洛倫茲力的方向與電荷的運(yùn)動(dòng)方向永遠(yuǎn)垂直，所以洛倫茲力對(duì)電荷永不做功，選項(xiàng)D錯(cuò)誤. 對(duì)洛倫茲力的理解 1. 如圖2－4－1所示，電子槍向右發(fā)射電子束，其正下方水平直導(dǎo)線內(nèi)通有向右的電流，則電子束將(　　) 圖2－4－1 A.向上偏轉(zhuǎn) B.向下偏轉(zhuǎn) C.向紙外偏轉(zhuǎn) D.向紙內(nèi)偏轉(zhuǎn) 答案　A 解析　由安培定則知水平直導(dǎo)線上方磁場(chǎng)方向垂直于紙面向外，由左手定則知向右運(yùn)動(dòng)的電子受到向上的洛倫茲力，故A正確. 2.帶電荷量為＋q的粒子，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，下面的說法中正確的是(　　) A.只要速度大小相同，所受洛倫茲力就相同 B.如果把＋q改為－q，速度反向且大小不變，則洛倫茲力的大小、方向均不變 C.只要帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，它一定受到洛倫茲力作用 D.帶電粒子受到洛倫茲力越小，則該磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度越小 答案　B 解析　影響洛倫茲力大小的因素有電荷量、速度大小、磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小及速度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向關(guān)系，A錯(cuò)；由左手定則可知，洛倫茲力方向不變，速度、電荷量大小不變，則洛倫茲力大小也不變，B正確；當(dāng)磁場(chǎng)方向與運(yùn)動(dòng)方向平行時(shí)，F(xiàn)＝0，C錯(cuò)；磁感應(yīng)強(qiáng)度由磁場(chǎng)本身的性質(zhì)決定，與洛倫茲力的大小無關(guān)，D錯(cuò). 洛倫茲力與左手定則 3.一個(gè)不計(jì)重力的帶正電荷的粒子，沿圖2－4－2 中箭頭所示方向進(jìn)入磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里，則粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡為(　　) 圖2－4－2 A.圓弧a B.直線b C.圓弧c D.a、b、c都有可能 答案　A 解析　根據(jù)左手定則可判斷帶正電荷的粒子所受洛倫茲力的方向向左，所以運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧a. 4.湯姆孫通過對(duì)陰極射線的研究發(fā)現(xiàn)了電子.如圖2－4－3所示，把電子射線管(陰極射線管)放在蹄形磁鐵的兩極之間，可以觀察到電子束偏轉(zhuǎn)的方向是(　　) 圖2－4－3 A.向上 B.向下 C.向左 D.向右 答案　B 解析　根據(jù)左手定則可判斷電子所受洛倫茲力的方向向下. (時(shí)間：60分鐘) 題組一、洛倫茲力與左手定則 1.在以下幾幅圖中，洛倫茲力的方向判斷正確的是(　　) 答案　B 解析　根據(jù)左手定則可判斷A中的粒子所受洛倫茲力的方向豎直向下；B中粒子所受洛倫茲力的方向豎直向上；C中粒子的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向一致，不受洛倫茲力的作用；D中粒子所受洛倫茲力的方向垂直紙面向外.綜上B正確，A、C、D錯(cuò)誤. 2.一正電荷垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，其速度v的方向和受到的洛倫茲力F的方向如圖 2－4－4 所示，則磁場(chǎng)方向(　　) 圖2－4－4 A.與F方向相同 B.與F方向相反 C.垂直紙面向外 D.垂直紙面向里 答案　D 解析　根據(jù)左手定則可判斷磁場(chǎng)方向垂直紙面向里. 3.三種不同粒子a、b、c從O點(diǎn)沿同一方向進(jìn)入垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡分別如圖2－4－5所示.則(　　) 圖2－4－5 A.粒子a一定帶負(fù)電 B.粒子b一定帶正電 C.粒子c一定帶負(fù)電 D.粒子b一定帶負(fù)電 答案　C 解析　根據(jù)左手定則可判定粒子a一定帶正電，粒子c一定帶負(fù)電，粒子b不帶電，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤. 4.如圖2－4－6所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)水平向右，電子在磁場(chǎng)中沿豎直方向向上運(yùn)動(dòng)，該電子所受洛倫茲力的方向(　　) 圖2－4－6 A.水平向左 B.水平向右 C.垂直紙面向里 D.垂直紙面向外 答案　D 解析　根據(jù)左手定則可以判定電子所受洛倫茲力的方向垂直紙面向外，故D正確，A、B、C錯(cuò)誤. 5.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)子帶正電.根據(jù)左手定則可判定，質(zhì)子在赤道上空豎直下落過程中受到的洛倫茲力方向向東，故B正確. 6.如圖2－4－7所示，電子e向上射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，此時(shí)該電子所受洛倫茲力的方向是(　　) 圖2－4－7 A.向左 B.向右 C.垂直于紙面向里 D.垂直于紙面向外 答案　B 解析　根據(jù)左手定則可以判定電子所受洛倫茲力的方向向右，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤. 題組二、洛倫茲力的綜合應(yīng)用 7.如圖2－4－8所示是一只陰極射線管，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，發(fā)現(xiàn)射線的徑跡往下偏，則(　　) 圖2－4－8 A.導(dǎo)線中的電流由A流向B B.導(dǎo)線中的電流由B流向A C.若要使電子管的徑跡往上偏，可以通過改變AB中電流的方向來實(shí)現(xiàn) D.電子束的徑跡與AB中的電流方向無關(guān) 答案　BC 解析　因?yàn)锳B中通有電流，所以陰極射線管中會(huì)有磁場(chǎng).電子是因?yàn)樵诖艌?chǎng)中受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)的.由左手定則可知，陰極射線管中的磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里，又根據(jù)安培定則可知，AB中的電流方向應(yīng)是由B流向A，B正確，A錯(cuò)誤；當(dāng)AB中的電流方向由A流向B，則AB上方的磁場(chǎng)方向變?yōu)榇怪庇诩埫嫦蛲?，電子所受洛倫茲力變?yōu)橄蛏希娮邮膹桔E會(huì)變?yōu)橄蛏掀D(zhuǎn)，由以上可見粒子的運(yùn)動(dòng)徑跡與AB中的電流方向有關(guān)，C正確，D錯(cuò)誤. 8.三個(gè)相同帶電小球1、2、3，在重力場(chǎng)中從同一高度由靜止開始落下，其中小球1通過一附加的水平方向勻強(qiáng)電場(chǎng)，小球2通過一附加的水平方向勻強(qiáng)磁場(chǎng)，設(shè)三個(gè)小球落到同一高度時(shí)的動(dòng)能分別為E1、E2和E3，不計(jì)空氣阻力，則(　　) A.E1＝E2＝E3 B.E1>E2＝E3 C.E1E2>E3 答案　B 解析　對(duì)2、3小球只有重力做功，根據(jù)動(dòng)能定理知，E2＝E3.對(duì)小球1，電場(chǎng)力和重力對(duì)它都做正功，故E1>E2＝E3，B正確. 9.如圖2－4－9所示，一束電子流沿管的軸線進(jìn)入螺線管，忽略重力，電子在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是(　　) 圖2－4－9 A.當(dāng)從a端通入電流時(shí)，電子做勻加速直線運(yùn)動(dòng) B.當(dāng)從b端通入電流時(shí)，電子做勻加速直線運(yùn)動(dòng) C.不管從哪端通入電流，電子都做勻速直線運(yùn)動(dòng) D.不管從哪端通入電流，電子都做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 答案　C 解析　由于長(zhǎng)通電螺線管中產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向平行于螺線管的中心軸線，與電子的運(yùn)動(dòng)方向平行，則電子在磁場(chǎng)中不受洛倫茲力，電子重力又不計(jì)，則電子做勻速直線運(yùn)動(dòng). 10.如圖2－4－10所示為一半圓形的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B，當(dāng)一束粒子對(duì)著圓心射入該磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)所有粒子都從M點(diǎn)射出，下列說法正確的是(　　) 圖2－4－10 A.這束粒子全部帶負(fù)電荷 B.這束粒子全部帶正電荷 C.這束粒子全部不帶電 D.這束粒子中有的帶正電荷，有的帶負(fù)電荷 答案　B 解析　因所有粒子都從M點(diǎn)射出，由左手定則可知所有粒子帶正電荷，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤.