高中物理（人教版）選修3-1 第3章 第5節(jié)　運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力

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歡迎進(jìn)入物理課堂 第五節(jié)運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力 課標(biāo)定位 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 掌握洛倫茲力的方向和大小及其計(jì)算公式的有關(guān)知識(shí) 2 了解電視顯像管的原理 重點(diǎn)難點(diǎn) 洛倫茲力的大小方向判定 核心要點(diǎn)突破 課堂互動(dòng)講練 知能優(yōu)化訓(xùn)練 第五節(jié)運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力 課前自主學(xué)案 課前自主學(xué)案 一 洛倫茲力的方向和大小1 洛倫茲力的定義 在磁場(chǎng)中所受的作用力 2 洛倫茲力的方向 1 實(shí)驗(yàn)觀察 陰極射線在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn) 沒有磁場(chǎng)時(shí)電子束是一條直線 將一蹄形磁鐵跨放在陰極射線管外面 電子流運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生彎曲 運(yùn)動(dòng)電荷 2 洛倫茲力方向的判斷左手定則 伸開左手 使拇指與其余四個(gè)手指垂直 并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi) 讓 從掌心進(jìn)入 并使四指指向 這時(shí)拇指所指的方向就是運(yùn)動(dòng)的正電荷在磁場(chǎng)中所受 的方向 負(fù)電荷受力的方向與正電荷受力的方向 3 特點(diǎn) 洛倫茲力的方向與電荷運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向都 洛倫茲力只改變帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向 不改變速度大小 對(duì)電荷不做功 磁感線 正電荷運(yùn)動(dòng)方向 洛倫茲力 相反 垂直 3 洛倫茲力的大小 1 電荷量為q的粒子以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí) 如果速度方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直 則F qvB 2 當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)的方向夾角為 時(shí) F qvBsin 3 當(dāng)電荷沿磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng) 即 0或v B 時(shí) F 0 思考感悟一帶電粒子以速度v0射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 粒子能做勻速直線運(yùn)動(dòng)嗎 有沒有可能做勻變速運(yùn)動(dòng) 不計(jì)粒子重力 提示 若粒子平行于磁場(chǎng)方向射入 粒子不受洛倫茲力作用 將做勻速直線運(yùn)動(dòng) 若粒子受洛倫茲力作用 洛倫茲力因與速度方向垂直 使速度的方向不斷變化 因此洛倫茲力的方向也在變化 即粒子受變力作用 故粒子不可能做勻變速運(yùn)動(dòng) 二 電視機(jī)顯像管的工作原理1 構(gòu)造 如圖3 5 1所示 實(shí)際上是一個(gè)陰極射線管和偏轉(zhuǎn)線圈的組合 陰極射線管內(nèi)有 和 2 原理陰極發(fā)射 經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)線圈 偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)和電子運(yùn)動(dòng)方向垂直 電子受 發(fā)生偏轉(zhuǎn) 偏轉(zhuǎn)后的電子打在熒光屏上 使熒光屏發(fā)光 圖3 5 1 電子槍 熒光屏 電子 洛倫茲力 3 掃描在電視機(jī)顯像管的偏轉(zhuǎn)區(qū)有兩對(duì)線圈 叫做偏轉(zhuǎn)線圈 偏轉(zhuǎn)線圈中通入大小 方向按一定規(guī)律變化的電流 分別在豎直方向和水平方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 其方向 強(qiáng)弱都在不斷地變化 因此電子束打在熒光屏上的光點(diǎn)就像圖3 5 2那樣不斷移動(dòng) 這在電視技術(shù)中叫做掃描 圖3 5 2 核心要點(diǎn)突破 一 對(duì)洛倫茲力方向的理解1 決定洛倫茲力方向的因素有三個(gè) 電荷的電性 正 負(fù) 速度方向 磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向 當(dāng)電荷電性一定時(shí) 其他兩個(gè)因素中 如果只讓一個(gè)因素相反 則洛倫茲力方向必定相反 如果同時(shí)讓兩個(gè)因素相反 則洛倫茲力方向?qū)⒉蛔?2 當(dāng)電荷的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí) 由左手定則可知 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 由于洛倫茲力的方向總是跟運(yùn)動(dòng)電荷的速度方向垂直 所以洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不做功 洛倫茲力只能改變電荷速度的方向 不能改變速度的大小 特別提醒 1 判斷負(fù)電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受洛倫茲力的方向 四指要指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的相反方向 也就是電流的方向 2 電荷運(yùn)動(dòng)的方向v和B不一定垂直 但洛倫茲力一定垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度B和速度方向v 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 1 如圖3 5 3所示 表示磁場(chǎng)B 電荷的速度v和磁場(chǎng)對(duì)電荷作用力F的方向之間的相互關(guān)系 這四個(gè)圖中畫得正確的是 其中B F v兩兩垂直 圖3 5 3解析 選BD A中F方向應(yīng)豎直向下 C中F方向應(yīng)水平向右 二 對(duì)洛倫茲力大小的理解1 公式推導(dǎo) 圖3 5 4 2 洛倫茲力和安培力的區(qū)別與聯(lián)系 1 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 盡管安培力是自由電荷定向移動(dòng)時(shí)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(jiǎn)單地等于所有定向移動(dòng)電荷所受洛倫茲力的和 一般只有當(dāng)導(dǎo)體靜止時(shí)才能這樣認(rèn)為 3 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 洛倫茲力與電場(chǎng)力的比較 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 2 2011年張家界高二檢測(cè) 關(guān)于電場(chǎng)力與洛倫茲力 以下說(shuō)法正確的是 A 電荷只要處在電場(chǎng)中 就會(huì)受到電場(chǎng)力 而電荷靜止在磁場(chǎng)中 也可能受到洛倫茲力B 電場(chǎng)力對(duì)在電場(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 電場(chǎng)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)中才會(huì)受到洛倫茲力的作用 解析 選D 靜止在磁場(chǎng)中的電荷不可能受到洛倫茲力 A錯(cuò) 盡管電場(chǎng)力對(duì)電荷可以做功 但如果電荷在電場(chǎng)中不動(dòng)或沿等勢(shì)面移動(dòng) 電場(chǎng)力做功為零 B錯(cuò) 洛倫茲力的方向與磁感線垂直 與運(yùn)動(dòng)方向垂直 C錯(cuò) 只有D是正確的 三 帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的直線運(yùn)動(dòng)1 復(fù)合場(chǎng)一般包括重力場(chǎng) 電場(chǎng)和磁場(chǎng)三種場(chǎng)的任意兩種場(chǎng)復(fù)合或三種場(chǎng)復(fù)合 2 帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的分析方法和思路 1 正確進(jìn)行受力分析 除重力 彈力 摩擦力外要特別注意電場(chǎng)力和洛倫茲力的分析 2 確定帶電粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 注意運(yùn)動(dòng)情況和受力情況的結(jié)合 3 靈活選擇不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 當(dāng)帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí) 粒子受力必然平衡 由平衡條件列方程求解 對(duì)于臨界問(wèn)題 注意挖掘隱含條件 特別提醒 1 電子 質(zhì)子 粒子等一般不計(jì)重力 帶電小球 塵埃 液滴等帶電顆粒一般要考慮重力的作用 2 注意重力 電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān) 洛倫茲力始終和運(yùn)動(dòng)方向垂直 永不做功的特點(diǎn) 即時(shí)應(yīng)用 即時(shí)突破 小試牛刀 3 在圖3 5 5所示的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)共存的區(qū)域內(nèi) 電子可能沿水平方向向右做直線運(yùn)動(dòng)的是 圖3 5 5 解析 選BC 電子必受與電場(chǎng)反向的電場(chǎng)力 當(dāng)其運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)平行時(shí)不受洛倫茲力 當(dāng)其運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)垂直時(shí)必受與磁場(chǎng)垂直的洛倫茲力 電子做直線運(yùn)動(dòng)合力可能為零 若不為零則必與速度共線 由此可判知 B C正確 課堂互動(dòng)講練 在圖3 5 6所示的各圖中 勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)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 6 思路點(diǎn)撥 應(yīng)用左手定則判斷洛倫茲力方向 根據(jù)公式F qv B求洛倫茲力的大小 規(guī)律總結(jié) 1 用左手定則判斷洛倫茲力方向時(shí) 要特別注意運(yùn)動(dòng)電荷的正負(fù) 四指應(yīng)指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向 或指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向 2 計(jì)算洛倫茲力的大小時(shí) 應(yīng)注意弄清v與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向關(guān)系 當(dāng)v B時(shí) 洛倫茲力F qvB 當(dāng)v B時(shí) F 0 當(dāng)v與B成 角 0 90 時(shí) 應(yīng)將v 或B 進(jìn)行分解取它們垂直的分量計(jì)算 變式訓(xùn)練1陰極射線管中粒子流向由左向右 其上方放置一根通有如圖3 5 7所示電流的直導(dǎo)線 導(dǎo)線與陰極射線管平行 則陰極射線將 A 向上偏轉(zhuǎn)B 向下偏轉(zhuǎn)C 向紙里偏轉(zhuǎn)D 向紙外偏轉(zhuǎn) 圖3 5 7 解析 選B 由安培定則 電流在其下方所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向垂直紙面向里 由左手定則 電子流所受洛倫茲力向下 故向下偏轉(zhuǎn) 故選B 質(zhì)量為m 帶電量為q的微粒 以速度v與水平方向成45 角進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)同時(shí)存在的空間 如圖3 5 8所示 微粒在電場(chǎng) 磁場(chǎng) 重力場(chǎng)的共同作用下做勻速直線運(yùn)動(dòng) 求 1 電場(chǎng)強(qiáng)度的大小 該帶電粒子帶何種電荷 2 磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小 圖3 5 8 思路點(diǎn)撥 正確分析帶電微粒的受力情況 由平衡條件列方程求解 精講精析 1 微粒做勻速直線運(yùn)動(dòng) 所受合力必為零 微粒受重力mg 電場(chǎng)力qE 洛倫茲力qvB 由此可知 微粒帶正電 受力如圖3 5 9所示 圖3 5 9 規(guī)律總結(jié) 1 不論帶電粒子在磁場(chǎng)外做什么運(yùn)動(dòng) 首先要確定其重力是否考慮 一般情況下微觀粒子如電子 質(zhì)子 中子 粒子等如無(wú)特殊說(shuō)明均不計(jì)重力 宏觀小帶電體如無(wú)特殊說(shuō)明需要考慮 2 帶電粒子在復(fù)合場(chǎng) 電場(chǎng) 磁場(chǎng) 重力場(chǎng)中兩個(gè)或三個(gè)共存 中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否發(fā)生變化取決于其受的合力 當(dāng)帶電粒子處于平衡狀態(tài)時(shí) 所受外力滿足平衡條件 即所有力的合力為零 此時(shí)可以利用共點(diǎn)力作用下物體的平衡條件列方程來(lái)解決 當(dāng)帶電粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 速度 發(fā)生變化時(shí) 由于其所受洛倫茲力也會(huì)隨之變化 所以帶電粒子的受力表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)變化 變式訓(xùn)練2用絕緣細(xì)線懸掛一個(gè)質(zhì)量為m 帶電荷量為 q的小球 讓它處于如圖3 5 10所示的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 由于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng) 小球靜止在如圖所示位置 這時(shí)懸線與豎直方向的夾角為 并被拉緊 則磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的速度大小和方向是 圖3 5 10 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(gè)斜面置于0 5T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 磁場(chǎng)方向如圖3 5 11所示 物塊由靜止開始下滑 滑到某一位置時(shí) 物塊開始離開斜面 設(shè)斜面足夠長(zhǎng) g 10m s2 問(wèn) 圖3 5 11 1 物塊帶電性質(zhì) 2 物塊離開斜面時(shí)的速度為多少 3 物塊在斜面上滑行的最大距離是多少 思路點(diǎn)撥 先判定洛倫茲力方向 再求離開斜面的臨界速度 最后由動(dòng)能定理求物塊位移 答案 1 負(fù)電 2 3 46m s 3 1 2m 規(guī)律總結(jié) 1 洛倫茲力F qvB與帶電體的速度v 大小 方向 有關(guān) 當(dāng)帶電體的速度發(fā)生變化時(shí) 洛倫茲力也會(huì)發(fā)生改變 因此帶電體的受力情況往往是動(dòng)態(tài)變化的 2 正確地分析臨界情景及對(duì)應(yīng)的臨界條件往往是求解的關(guān)鍵 變式訓(xùn)練3如圖3 5 13所示 質(zhì)量為m的帶正電小球從靜止開始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(chǎng)方向水平垂直紙面向外 并與小球運(yùn)動(dòng)方向垂直 若小球電荷量為q 球與墻間的動(dòng)摩擦因數(shù)為 則小球下滑的最大速度和最大加速度各多大 圖3 5 13 如圖3 5 14是磁流體發(fā)電機(jī)的示意圖 兩極板間的勻強(qiáng)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 0 5T 極板間距d 20cm 如果要求該發(fā)電機(jī)的輸出電壓為U 20V 則離子的速率為多少 圖3 5 14 答案 200m s 規(guī)律總結(jié) 當(dāng)離子不再偏向極板時(shí) 極板所帶電荷量穩(wěn)定 兩板之間電壓穩(wěn)定 此時(shí)離子應(yīng)處于勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 利用平衡條件即可求解 變式訓(xùn)練4如圖3 5 15所示為一速度選擇器 內(nèi)有一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 方向垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 一束粒子流以速度v水平射入 為使粒子流經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)時(shí)不偏轉(zhuǎn) 不計(jì)重力 則磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)必須同時(shí)存在一個(gè)勻強(qiáng)電場(chǎng) 關(guān)于此電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)大小和方向的說(shuō)法中 正確的是 圖3 5 15 A 大小為B v 粒子帶正電時(shí) 方向向上B 大小為B v 粒子帶負(fù)電時(shí) 方向向上C 大小為Bv 方向向下 與粒子帶何種電荷無(wú)關(guān)D 大小為Bv 方向向上 與粒子帶何種電荷無(wú)關(guān)解析 選D 當(dāng)粒子所受的洛倫茲力和電場(chǎng)力平衡時(shí) 粒子流勻速直線通過(guò)該區(qū)域 有qvB qE 所以E Bv 假設(shè)粒子帶正電 則受向下的洛倫茲力 電場(chǎng)方向應(yīng)該向上 粒子帶負(fù)電時(shí) 電場(chǎng)方向仍應(yīng)向上 故正確答案為D 知能優(yōu)化訓(xùn)練 本部分內(nèi)容講解結(jié)束 點(diǎn)此進(jìn)入課件目錄 按ESC鍵退出全屏播放 謝謝使用 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全