高二物理人教版選修3-1課件 第3章磁場 第5節(jié)《磁場對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力》

歡迎進(jìn)入物理課堂 第五節(jié)磁場對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力 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 易錯(cuò)問題 判斷洛倫茲力方向時(shí)四指指向與電荷運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系 一 洛倫茲力1 演示實(shí)驗(yàn) 電子射線管發(fā)出的電子束 如圖甲中的徑跡是 把電子射線管放在蹄形磁鐵的磁場中 如圖3 5 1乙中電子束的徑跡向發(fā)生了偏轉(zhuǎn) 若調(diào)換磁鐵南北極的位置 則電子束的徑跡會(huì)向偏轉(zhuǎn) 一條直線 上 下 圖3 5 12 磁場對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用 人們稱這種力為 洛倫茲力 二 洛倫茲力的方向和大小1 洛倫茲力的方向可以用左手定則判定 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) 讓磁感線從進(jìn)入 并使四指指向運(yùn)動(dòng)的方向 這時(shí)所指的方向就是運(yùn)動(dòng)的正電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向 負(fù)電荷受力的方向與正電荷受力的方向 掌心 正電荷 相反 拇指 2 洛倫茲力的大小若帶電粒子運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直 則F 若粒子速度方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的夾角為 則F 3 洛倫茲力的方向始終與帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向垂直 故洛倫茲力不改變帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度的 只改變粒子運(yùn)動(dòng)的方向 洛倫茲力對(duì)帶電粒子不做功 qvB qvBsin 大小 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 在研究電荷的運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向垂直的情況時(shí) 由左手定則可知 洛倫茲力的方向既與磁場方向垂直 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 1 判斷負(fù)電荷在磁場中運(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 二 對(duì)洛倫茲力大小的理解1 公式推導(dǎo)設(shè)導(dǎo)體內(nèi)單位長度上自由電荷數(shù)為n 自由電荷的電荷量為q 定向移動(dòng)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)全部通過截面A 如圖3 5 2所示 設(shè)通過的電荷量為Q 圖3 5 2 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 洛倫茲力與電場力的比較 三 帶電粒子在復(fù)合場中的直線運(yùn)動(dòng)1 復(fù)合場一般包括重力場 電場和磁場三種場的任意兩種場復(fù)合或三種場復(fù)合 2 帶電粒子在復(fù)合場中運(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)于臨界問題 注意挖掘隱含條件 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 電場力做功與路徑無關(guān) 洛倫茲力始終和運(yùn)動(dòng)方向垂直 永不做功的特點(diǎn) 在圖3 5 3所示的各圖中 勻強(qiáng)磁場的磁感應(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 例1 圖3 5 3 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 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 vsin30 F qvBsin30 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 qvB 方向與v垂直斜向上 答案 1 qvB垂直v斜向左上方垂直紙面向里 3 不受洛倫茲力 4 qvB垂直v斜向上 思維總結(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 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 4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 4 解析 選B 由安培定則 電流在其下方所產(chǎn)生的磁場方向垂直紙面向里 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 如圖3 5 5所示 勻強(qiáng)電場方向水平向右 勻強(qiáng)磁場方向垂直于紙面向里 一質(zhì)量為m 帶電荷量為q的微粒以速度v與磁場方向垂直 與電場成45 角射入復(fù)合場中 恰能做勻速直線運(yùn)動(dòng) 求電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小 圖3 5 5 例2 解析 假設(shè)粒子帶負(fù)電 則所受電場力方向水平向左 洛倫茲力方向斜向右下方與v垂直 可以從力的平衡條件判斷出這樣的粒子不可能做勻速直線運(yùn)動(dòng) 所以粒子應(yīng)帶正電荷 受力情況如圖3 5 6所示 圖3 5 6 根據(jù)合外力為零可得mg qvBsin45 qE qvBcos45 由 式可得 思維總結(jié) 在電場 磁場中電荷的受力方向都與電荷的正負(fù)有關(guān) 一定要明確是正電荷受力 還是負(fù)電荷受力 另外 分析帶電粒子的受力情況時(shí) 不要丟掉重力 受力分析后 根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 列平衡方程或牛頓第二定律方程求解 2 如圖3 5 7所示 在真空中勻強(qiáng)電場的方向豎直向下 勻強(qiáng)磁場的方向垂直紙面向里 三個(gè)油滴a b c帶有等量同種電荷 其中a靜止 b向右勻速運(yùn)動(dòng) c向左勻速運(yùn)動(dòng) 則它們的重力Ga Gb Gc間的關(guān)系 正確的是 圖3 5 7 A Ga最大B Gb最大C Gc最大D Gb最小解析 選CD 由于a靜止 Ga qE 電場力向上 帶負(fù)電荷 由左手定則 b受洛倫茲力豎直向下 Gb qvbB qE 由左手定則 c受洛倫茲力豎直向上 Gc qE qvcB 由此可知 Gb Ga Gc 故C D正確 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)磁場中 磁場方向如圖3 5 8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 g 10m s2 問 圖3 5 8 例3 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 解析 1 由左手定則可知物塊帶負(fù)電荷 2 當(dāng)物塊離開斜面時(shí) 物塊對(duì)斜面壓力為0 受力如圖3 5 9所示 則 qvB mgcos30 0 解得v 3 46m s 3 由動(dòng)能定理得 mgsin30 L mv2 解得物塊在斜面上滑行的最大距離L 1 2m 答案 1 負(fù)電 2 3 46m s 3 1 2m 圖3 5 9 3 有一質(zhì)量為m 電荷量為q的帶正電的小球停在絕緣平面上 并處在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 方向垂直指向紙面內(nèi)部的勻強(qiáng)磁場中 如圖3 5 10所示 為了使小球飄離平面 勻強(qiáng)磁場在紙面內(nèi)移動(dòng)的最小速度應(yīng)為多少 方向如何 圖3 5 10 解析 帶電小球不動(dòng) 而磁場運(yùn)動(dòng) 也可以看作帶電小球相對(duì)于磁場沿相反方向運(yùn)動(dòng) 故帶電小球仍受磁場力的作用 欲使小球飄起 而帶電小球僅受重力和洛倫茲力作用 那么帶電小球所受的最小洛倫茲力的方向豎直向上 大小為F mg 由左手定則可以判斷小球相對(duì)磁場的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樗较蛴?所以帶電小球不動(dòng)時(shí) 磁場應(yīng)水平向左平移 設(shè)磁場向左平移的最小速度為v 由qvB mg得 答案 水平向左 如圖3 5 11是磁流體發(fā)電機(jī)的示意圖 兩極板間的勻強(qiáng)磁場磁感應(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 例4 圖3 5 11 解析 等粒子體以一定速度進(jìn)入磁場后 在洛倫茲力作用下正離子向上極板 負(fù)離子向下極板偏轉(zhuǎn) 上下極板因聚集了異種電荷從而使兩板之間產(chǎn)生電壓 當(dāng)離子在兩極間勻速運(yùn)動(dòng)時(shí) 電壓達(dá)到穩(wěn)定 此時(shí)有代入數(shù)據(jù)得v 200m s 答案 200m s 思維總結(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 4 如圖3 5 12所示是粒子速度選擇器的原理圖 如果粒子所具有的速率v 那么 圖3 5 12 A 帶正電粒子必須沿ab方向從左側(cè)進(jìn)入場區(qū) 才能沿直線通過B 帶負(fù)電粒子必須沿ba方向從右側(cè)進(jìn)入場區(qū) 才能沿直線通過C 不論粒子電性如何 沿ab方向從左側(cè)進(jìn)入場區(qū) 都能沿直線通過D 不論粒子電性如何 沿ba方向從右側(cè)進(jìn)入場區(qū) 都能沿直線通過 解析 選AC 正電粒子從左側(cè)進(jìn)入時(shí) 受到的電場力與洛倫茲力大小相等 方向相反 故可直線通過場區(qū) 故A對(duì) 負(fù)電粒子從右側(cè)進(jìn)入時(shí) 電場力與洛倫茲力同向 將做曲線運(yùn)動(dòng) 故B錯(cuò) 同理可判定C對(duì)D錯(cuò) 1 2009年高考廣東理基卷 帶電粒子垂直勻強(qiáng)磁場方向運(yùn)動(dòng)時(shí) 會(huì)受到洛倫茲力的作用 下列表述正確的是 A 洛倫茲力對(duì)帶電粒子做功B 洛倫茲力不改變帶電粒子的動(dòng)能C 洛倫茲力的大小與速度無關(guān)D 洛倫茲力不改變帶電粒子的速度方向 解析 選B 洛倫茲力的方向總跟速度方向垂直 所以洛倫茲力永不做功 不會(huì)改變粒子的動(dòng)能 因此B正確 2 運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中受到洛倫茲力的作用 運(yùn)動(dòng)方向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn) 這一點(diǎn)對(duì)地球上的生命來說有十分重要的意義 從太陽和其他星體發(fā)射出的高能粒子流 稱為宇宙射線 在射向地球時(shí) 由于地磁場的存在 改變了帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向 對(duì)地球起到了保護(hù)作用 如圖3 5 13為地磁場對(duì)宇宙射線作用的示意圖 現(xiàn)有來自宇宙的一束質(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 圖3 5 13 A 豎直向下沿直線射向地面B 相對(duì)于預(yù)定地點(diǎn)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)解析 選B 建立空間概念 在赤道上空地磁場方向水平向北 由左手定則可以判斷磁場對(duì)質(zhì)子的洛倫茲力方向向東 故質(zhì)子向東偏轉(zhuǎn) 故B正確 3 一個(gè)長螺線管中通有交變電流 把一個(gè)帶電粒子沿管軸線射入管中 不計(jì)重力 粒子將在管中 A 做圓周運(yùn)動(dòng)B 沿軸線來回運(yùn)動(dòng)C 做勻加速直線運(yùn)動(dòng)D 做勻速直線運(yùn)動(dòng)答案 D 4 2010年東臺(tái)高二檢測 如圖3 5 14所示 用絲線吊一個(gè)質(zhì)量為m的帶電 絕緣 小球處于勻強(qiáng)磁場中 空氣阻力不計(jì) 當(dāng)小球分別從A點(diǎn)和B點(diǎn)向最低點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)且兩次經(jīng)過O點(diǎn)時(shí) A 小球的動(dòng)能相同B 絲線所受的拉力相同C 小球所受的洛倫茲力相同D 小球的向心加速度相同 圖3 5 14 解析 選AD 帶電小球受到洛倫茲力和繩的拉力與速度方向時(shí)刻垂直 對(duì)小球不做功 只改變速度方向 不改變速度大小 只有重力做功 故兩次經(jīng)過O點(diǎn)時(shí)速度大小不變 動(dòng)能相同 A正確 小球分別從A點(diǎn)和B點(diǎn)向最低點(diǎn)O運(yùn)動(dòng)且兩次經(jīng)過O點(diǎn)時(shí)速度方向相反 由左手定則可知兩次過O點(diǎn)洛倫茲力方向相反 繩的拉力大小也就不同 故B C錯(cuò) 由可知向心加速度相同 D正確 5 兩塊金屬板a b平行放置 板間存在與勻強(qiáng)電場正交的勻強(qiáng)磁場 假設(shè)電場 磁場只存在于兩板間的空間區(qū)域 一束電子以一定的初速度v0從兩極板中間 沿垂直于電場 磁場的方向射入場中 無偏轉(zhuǎn)地通過場區(qū) 如圖3 5 15所示 已知板長l 10cm 兩板間距d 3 0cm 兩板間電勢差U 150V v0 2 0 107m s 圖3 5 15 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