高中物理選修3-1第1部分 第三章《磁場》第4節(jié) 磁場對運動電荷的作用——洛倫茲力 教科

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歡迎進入物理課堂 第三章 第4節(jié) 理解教材新知 把握熱點考向 應用創(chuàng)新演練 知識點一 知識點二 考向一 考向三 隨堂基礎鞏固 課時跟蹤訓練 考向二 自學教材 1 定義運動電荷在磁場中受到的 2 與安培力的關系靜止的通電導線在磁場中受到的安培力 在數(shù)值上等于大量定向運動電荷受到的洛倫茲力的 即安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn) 而洛倫茲力是安培力的微觀本質 磁場力 總和 3 洛倫茲力的方向判斷 左手定則 1 正電荷所受洛倫茲力的方向伸開左手 使大拇指跟其余四個手指垂直 且處于同一平面內 把手放入磁場中 讓磁感線穿入手心 四指指向為正電荷運動的方向 那么 拇指所指的方向就是正電荷所受洛倫茲力的方向 2 負電荷所受洛倫茲力的方向同樣應用左手定則判斷 只是四指指向負電荷運動的方向 拇指所指的方向的方向為負電荷所受洛倫茲力的方向 垂直 相反 4 洛倫茲力的大小 1 當電荷垂直磁場方向射入時 F洛 2 當電荷的速度方向和磁場方向平行時 F洛 3 當電荷的速度方向與磁場方向的夾角為 時 F洛 qvB 0 qvBsin 重點詮釋 1 對洛倫茲力方向的理解 1 決定洛倫茲力方向的因素有三個 電荷的電性 正 負 速度方向 磁感應強度的方向 當電荷電性一定時 其他兩個因素中 如果只讓一個因素相反 則洛倫茲力方向必定相反 如果同時讓兩個因素相反 則洛倫茲力方向將不變 2 在研究電荷的運動方向與磁場方向垂直的情況時 由左手定則可知 洛倫茲力的方向既與磁場方向垂直 又與電荷的運動方向垂直 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動電荷的速度方向垂直 所以洛倫茲力對運動電荷不做功 洛倫茲力只能改變電荷速度的方向 不能改變速度的大小 2 洛倫茲力公式的推導如圖3 4 1所示 有一段靜止導線長為L 橫截面積為S 單位體積內的自由電荷數(shù)為n 自由電荷所帶電荷量為q 自由電荷定向移動的速率為v 設長度為L的導線中的自由電荷在t秒內全部通過截面A 導線垂直于磁場放置 圖3 4 1 3 洛倫茲力與電場力的比較 1 某處地磁場的方向水平且由南向北 大小為1 2 10 4T 一速度為5 105m s 帶電量為 2e的粒子豎直向下飛入磁場 磁場作用于粒子的力的大小是多少 粒子將向哪個方向偏轉 解析 由洛倫茲力公式得F qvB 2 1 6 10 19 5 105 1 2 10 4N 1 92 10 17N由左手定則可判斷洛倫茲力向東 故粒子將向東偏轉 答案 1 92 10 17N向東偏轉 自學教材 1 運動特點由于帶電粒子在勻強磁場中所受洛倫茲力方向總是與速度方向垂直且大小不變 因此帶電粒子將做運動 圓周運動的軌道平面與磁場方向 其向心力來自洛倫茲力 勻速圓周 垂直 重點詮釋 在研究帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的規(guī)律時 著重把握 一找圓心 二找半徑 三找周期或時間 的規(guī)律 1 圓心和半徑的確定 1 圓心的確定帶電粒子進入一個有界磁場后的軌跡是一段圓弧 如何確定圓心是解決此類問題的前提 也是解題的關鍵 一個最基本的思路是 圓心一定在與速度方向垂直的直線上 舉例如下 已知入射方向和出射方向時 可通過入射點和出射點作垂直于入射方向和出射方向的直線 兩條直線的交點就是圓弧軌道的圓心 如圖3 4 2所示 圖中P為入射點 M為出射點 圖3 4 2 圖3 4 3 圖3 4 4 2 如圖3 4 5所示 a和b帶電荷量相同 以相同動能從A點射入磁場 在勻強磁場中做圓周運動的半徑ra 2rb 則可知 重力不計 A 兩粒子都帶正電 質量比ma mb 4B 兩粒子都帶負電 質量比ma mb 4C 兩粒子都帶正電 質量比ma mb 1 4D 兩粒子都帶負電 質量比ma mb 1 4 圖3 4 5 答案 B 例1 如圖3 4 6所示 在真空中 水平導線中有恒定電流I通過 導線的正下方有一質子初速度方向與電流方向相同 則質子可能的運動情況是 A 沿路徑a運動B 沿路徑b運動C 沿路徑c運動D 沿路徑d運動 圖3 4 6 審題指導 解答本題時應注意以下三點 1 明確電流周圍磁場的特點 2 由左手定則判定質子所受洛倫茲力的方向 3 確定質子的運動軌跡 解析 由安培定則 電流在下方產生的磁場方向指向紙外 由左手定則 質子剛進入磁場時所受洛倫茲力方向向上 則質子的軌跡必定向上彎曲 因此C D必錯 由于洛倫茲力方向始終與電荷運動方向垂直 故其運動軌跡必定是曲線 則B正確 A錯誤 答案 B 判斷洛倫茲力方向的步驟 1 先確定磁場的方向 2 確定電荷的正 負以及運動方向 3 利用左手定則確定洛倫茲力的方向 1 來自宇宙的質子流 以與地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一點 則這些質子在進入地球周圍的空間時 將 A 豎直向下沿直線射向地面B 相對于預定地點 稍向東偏轉C 相對于預定地點 稍向西偏轉D 相對于預定地點 稍向北偏轉 解析 地球表面地磁場方向由南向北 質子是氫原子核 帶正電 根據(jù)左手定則可判定 質子自赤道上空豎直下落過程中受洛倫茲力方向向東 答案 B 圖3 4 7 解決帶電粒子在有界磁場中的圓周運動時 可按以下三步進行 1 畫軌跡 確定圓心 半徑 注意可能情況 臨界問題的出現(xiàn) 2 找聯(lián)系 軌道半徑與磁感應強度 運動速度相聯(lián)系 偏轉角度與圓心角 運動時間相聯(lián)系 在磁場中運動的時間與周期相聯(lián)系 3 用規(guī)律 即牛頓第二定律和圓周運動的規(guī)律 特別是周期公式 半徑公式 圖3 4 8 答案 C 例3 一個質量為m 0 1g的小滑塊 帶有q 5 10 4C的電荷量 放置在傾角 30 的光滑斜面上 絕緣 斜面置于B 0 5T的勻強磁場中 磁場方向垂直紙面向里 如圖3 4 9所示 小滑塊由靜止開始沿斜面下滑 其斜面足夠長 小滑塊滑至某一位置時要離開斜面 求 取g 10m s2 1 小滑塊帶何種電荷 2 小滑塊離開斜面時的瞬時速度多大 3 該斜面的長度至少多長 圖3 4 9 審題指導 解答本題時應把握以下兩點 1 由受力分析判定洛倫茲力方向 再結合左手定則判定小滑塊帶電電性 2 由分離的條件N 0求得F的大小 進一步求v大小 答案 1 帶負電 2 3 46m s 3 1 2m 1 正確進行受力分析 除彈力 重力 摩擦力外 要特別注意電場力和磁場力的分析 2 正確進行物體的運動狀態(tài)分析 找出物體的速度 位置及其變化 分清運動過程 如果出現(xiàn)臨界狀態(tài) 要分析臨界條件 3 恰當選用解決力學問題的方法 牛頓運動定律及運動學公式 只適用于勻變速運動 用能量觀點分析 包括動能定理和機械能 或能量 守恒定律 應注意 不論帶電體運動狀態(tài)如何 洛倫茲力永不做功 點擊下圖片進入 隨堂基礎鞏固 點擊下圖片進入 課時跟蹤訓練 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全