2020高考物理第九章第2讲磁场对运动电荷的作用教案鲁科版.docx

第2讲磁场对运动电荷的作用知识排查洛伦兹力、洛伦兹力的方向和大小1.洛伦兹力：磁场对运动电荷的作用力叫洛伦兹力。2.洛伦兹力的方向（1）判定方法：左手定则：手心磁感线垂直穿过手心；四指指向正电荷运动的方向（或负电荷运动的反方向）；拇指指向正电荷所受洛伦兹力的方向。（2）方向特点：FB，Fv，即F垂直于B和v决定的平面。3.洛伦兹力的大小FqvBsin （为电荷运动方向与磁感应强度方向的夹角）（1）vB时，洛伦兹力F0。（0或180）（2）vB时，洛伦兹力FqvB。（90）（3）v0时，洛伦兹力F0。带电粒子在匀强磁场中的运动1.若vB，带电粒子不受洛伦兹力，在匀强磁场中做匀速直线运动。2.若vB，带电粒子仅受洛伦兹力作用，在垂直于磁感线的平面内以入射速度v做匀速圆周运动。如下图，带电粒子在匀强磁场中，中粒子做匀速圆周运动，中粒子做匀速直线运动，中粒子做匀速圆周运动。3.基本公式（1）向心力公式：qvB（2）轨道半径公式：r（3）周期公式：T注意：带电粒子在匀强磁场中运动的周期与速率无关。小题速练1.带电荷量为q的粒子在匀强磁场中运动，下列说法中正确的是 （）A.只要速度大小相同，所受洛伦兹力就相同 B.如果把q改为q，且速度反向、大小不变，则其所受洛伦兹力的大小、方向均不变C.洛伦兹力方向一定与电荷速度方向垂直，磁场方向一定与电荷运动方向垂直D.粒子在只受洛伦兹力作用下运动的动能、速度均不变答案B2.鲁科版选修31P132T5改编如图1所示，一束质量、速度和电荷量不全相等的离子，经过由正交的匀强电场和匀强磁场组成的速度选择器后，进入另一个匀强磁场中并分裂为A、B两束，下列说法正确的是（）图1A.组成A束和B束的离子都带负电B.组成A束和B束的离子质量一定不同C.A束离子的比荷大于B束离子的比荷D.速度选择器中的磁场方向垂直于纸面向外答案C3.（多选）如图2所示，在匀强磁场中，磁感应强度B12B2，当不计重力的带电粒子从B1磁场区域运动到B2磁场区域时，粒子的（）图2A.速率将加倍B.轨迹半径加倍C.周期将加倍D.做圆周运动的角速度将加倍答案BC洛伦兹力的特点及应用1.洛伦兹力的特点（1）洛伦兹力的方向总是垂直于运动电荷的速度方向和磁场方向共同确定的平面。注意区分正、负电荷。（2）当电荷运动方向发生变化时，洛伦兹力的方向也随之变化。（3）运动电荷在磁场中不一定受洛伦兹力作用。（4）洛伦兹力一定不做功。2.洛伦兹力与安培力的联系及区别（1）安培力是洛伦兹力的宏观表现，二者是相同性质的力。（2）安培力可以做功，而洛伦兹力对运动电荷不做功。3.洛伦兹力与电场力的比较洛伦兹力电场力产生条件v0且v不与B平行电荷处在电场中大小FqvB（vB）FqE力方向与场方向的关系一定是FB，Fv正电荷受力与电场方向相同，负电荷受力与电场方向相反做功情况任何情况下都不做功可能做正功、负功，也可能不做功作用效果只改变电荷的速度方向，不改变速度大小既可以改变电荷的速度大小，也可以改变运动的方向【例1】四根等长的导线固定在正方体的四条沿x轴方向的棱上，并通以等大的电流，方向如图3所示。正方体的中心O处有一粒子源在不断地沿x轴负方向喷射电子，则电子刚被喷射出时受到的洛伦兹力方向为 （）图3A.沿y轴负方向 B.沿y轴正方向C.沿z轴正方向 D.沿z轴负方向解析根据右手螺旋定则，判断出四根导线在O点产生的合磁场方向沿z轴负方向，电子初速度方向沿x轴负方向，即垂直纸面向里，根据左手定则，判断出洛伦兹力方向沿y轴正方向，B正确。答案B1.如图4所示，a是竖直平面P上的一点，P前有一条形磁铁垂直于P，且S极朝向a点，P后一电子在偏转线圈和条形磁铁的磁场的共同作用下，在水平面内向右弯曲经过a点。在电子经过a点的瞬间，条形磁铁的磁场对该电子的作用力的方向（）图4A.向上 B.向下 C.向左 D.向右解析条形磁铁的磁感线在a点垂直P向外，电子在条形磁铁的磁场中向右运动，由左手定则可得电子所受洛伦兹力的方向向上，A正确。答案A2.（多选）带电小球以一定的初速度v0竖直向上抛出，能够达到的最大高度为h1；若加上水平方向的匀强磁场，且保持初速度仍为v0，小球上升的最大高度为h2，若加上水平方向的匀强电场，且保持初速度仍为v0，小球上升的最大高度为h3；若加上竖直向上的匀强电场，且保持初速度仍为v0，小球上升的最大高度为h4，如图5所示。不计空气阻力，则（）图5A.一定有h1h3 B.一定有h1h4C.h2与h4无法比较 D.h1与h2无法比较解析图甲中，由竖直上抛运动的最大高度公式得h1，图丙中，当加上电场时，由运动的分解可知，在竖直方向上，有v2gh3得h3，所以h1h3，故A正确；图乙中，洛伦兹力改变速度的方向，当小球在磁场中运动到最高点时，小球应有水平速度，设此时小球的动能为Ek，则由能量守恒定律得mgh2Ekmv，又由于mvmgh1，所以h1h2，D错误；图丁中，因小球电性不知，则电场力方向不清，则h4可能大于h1，也可能小于h1，故C正确，B错误。答案AC带电粒子在匀强磁场中的圆周运动1.圆心的确定方法方法一若已知粒子轨迹上的两点的速度方向，则可根据洛伦兹力Fv，分别确定两点处洛伦兹力F的方向，其交点即为圆心，如图6（a）；方法二若已知粒子运动轨迹上的两点和其中某一点的速度方向，则可作出此两点的连线（即过这两点的圆弧的弦）的中垂线，中垂线与速度垂线的交点即为圆心，如图（b）。图62.半径的计算方法方法一由物理方法求：半径r；方法二由几何方法求：一般由数学知识（勾股定理、三角函数等）计算来确定。3.时间的计算方法方法一利用圆心角求：tT；方法二利用弧长求：t。4.带电粒子在不同边界磁场中的运动（1）直线边界（进出磁场具有对称性，如图7所示）。图7（2）平行边界（存在临界条件，如图8所示）。图8（3）圆形边界（沿径向射入必沿径向射出，如图9所示）。图9【例2】圆形边界磁场（2017全国卷，18）如图10，虚线所示的圆形区域内存在一垂直于纸面的匀强磁场，P为磁场边界上的一点，大量相同的带电粒子以相同的速率经过P点，在纸面内沿不同的方向射入磁场，若粒子射入速率为v1，这些粒子在磁场边界的出射点分布在六分之一圆周上；若粒子射入速率为v2，相应的出射点分布在三分之一圆周上，不计重力及带电粒子之间的相互作用，则v2v1 为（）图10A.2 B.1 C.1 D.3解析根据作图分析可知，当粒子在磁场中运动半个圆周时，打到圆形磁场边界的位置距P点最远，则当粒子射入的速率为v1，轨迹如图甲所示，设圆形磁场半径为R，由几何知识可知，粒子运动的轨道半径为r1Rcos 60R；若粒子射入的速率为v2，轨迹如图乙所示，由几何知识可知，粒子运动的轨道半径为r2Rcos 30R；根据轨道半径公式r可知，v2v1r2r11，故选项C正确。甲乙答案C带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的分析方法1.直线边界磁场（2019福州模拟）如图11所示，在直角坐标系xOy中，x轴上方有匀强磁场，磁感应强度的大小为B，磁场方向垂直于纸面向外。许多质量为m、电荷量为q的粒子，以相同的速率v沿纸面内，由x轴负方向与y轴正方向之间各个方向从原点O射入磁场区域，不计重力及粒子间的相互作用。下列图中阴影部分表示带电粒子在磁场中可能经过的区域，其中R，正确的图是（）图11解析粒子在磁场中做匀速圆周运动，根据左手定则和R 知沿x轴 负轴的刚好进入磁场做一个圆周，沿y轴进入的刚好转半个圆周，如图，在两图形的相交的部分是粒子不经过的地方，故D正确。答案D2.平行直线边界磁场如图12所示，一质量为m、带电荷量为q的粒子以速度v垂直射入一有界匀强磁场区域内，速度方向跟磁场左边界垂直，从右边界离开磁场时速度方向偏转角30，磁场区域的宽度为d，则下列说法正确的是 （）图12A.该粒子带正电B.磁感应强度BC.粒子在磁场中做圆周运动的半径RdD.粒子在磁场中运动的时间t解析由左手定则可知，该粒子带负电，A错误；分别作出入射方向和出射方向的垂线，交点为圆周运动的圆心O，由几何关系可得，圆心角30，半径R2d，C错误；由洛伦兹力提供向心力，有qvBm，得R，将R2d代入可得B，B错误；粒子做圆周运动的周期T，将B代入可得T，则运动时间tT，D正确。答案D3.三角形边界磁场（2019湖北武汉高三调考）如图13所示，等腰直角三角形abc区域存在方向垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B。三个相同的带电粒子从b点沿bc方向分别以速度v1、v2、v3射入磁场，在磁场中运动的时间分别为t1、t2、t3，且t1t2t3331。直角边bc的长度为L，不计粒子的重力，下列说法正确的是 （）图13A.三个速度的大小关系一定是v1v2v3B.三个速度的大小关系可能是v2v1v3C.粒子的比荷D.粒子的比荷解析由于t1t2t3331，作出粒子运动轨迹图如图所示，它们对应的圆心角分别为90、90、30，由几何关系可知轨道半径大小分别为R2R3，R10）。粒子沿纸面以大小为v的速度从OM的某点向左上方射入磁场，速度与OM成30角。已知该粒子在磁场中的运动轨迹与ON只有一个交点，并从OM上另一点射出磁场。不计重力。粒子离开磁场的出射点到两平面交线O的距离为（）图15A. B. C. D.解析带电粒子在磁场中做圆周运动的轨道半径为r。轨迹与ON相切，画出粒子的运动轨迹如图所示，由于2rsin 30r，故AOD为等边三角形，ODA60，而MON30，则OCD90，故COD为一直线，24r，故选项D正确。答案D1.如图16所示，半径为r的圆形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B，磁场边界上A点有一粒子源，源源不断地向磁场发射各种方向（均平行于纸面）且速度大小相等的带正电的粒子（重力不计），已知粒子的比荷为k，速度大小为2kBr。则粒子在磁场中运动的最长时间为（）图16A. B. C. D.解析粒子在磁场中运动的半径为R2r；当粒子在磁场中运动时间最长时，其轨迹对应的圆心角最大，此时弦长最大，其最大值为磁场圆的直径2r，故t，故选C正确。答案C2.如图17所示，两个同心圆，半径分别为r和2r，在两圆之间的环形区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B。圆心O处有一放射源，放出粒子的质量为m、带电量为q，假设粒子速度方向都和纸面平行。图17（1）图中箭头表示某一粒子初速度的方向，OA与初速度方向夹角为60，要想使该粒子第一次经过磁场后通过A点，则初速度的大小是多少？（2）要使粒子不穿出环形区域，则粒子的初速度不能超过多少？解析（1）如图甲所示，设粒子在磁场中的轨道半径为R1，则由几何关系得R1甲又qv1Bm得v1。（2）如图乙所示，设粒子轨迹与磁场外边界相切时，粒子在磁场中的轨道半径为R2，则由几何关系有乙（2rR2）2Rr2可得R2又qv2Bm可得v2故要使粒子不穿出环形区域，粒子的初速度不能超过。答案（1）（2）带电粒子在磁场中运动的多解问题【例4】 带电粒子电性不确定形成多解如图18所示，宽度为d的有界匀强磁场，磁感应强度为B，MM和NN是它的两条边界。现有质量为m、电荷量为q的带电粒子沿图示方向垂直磁场射入。要使粒子不能从边界NN射出，则粒子入射速率v的最大值可能是多少？图18解析题目中只给出粒子“电荷量为q”，未说明是带哪种电荷，所以分情况讨论。若带电粒子带正电荷，轨迹是图中与NN相切的圆弧，则轨迹半径R又dRRsin 45解得v若带电粒子带负电荷，轨迹是图中与NN相切的圆弧，则轨迹半径R又dRRsin 45解得v答案（q为正电荷）或（q为负电荷）1.磁场方向不确定形成多解（多选）（2019河南商丘模拟）一质量为m、电荷量为q的负电荷在磁感应强度为B的匀强磁场中绕固定的正电荷做匀速圆周运动，若磁场方向垂直于它的运动平面，且作用在负电荷上的电场力恰好是磁场力的三倍，则负电荷做圆周运动的角速度可能是（）A. B. C. D.解析依题中条件“磁场方向垂直于它的运动平面”，磁场方向有两种可能，且这两种可能方向相反，在方向相反的两个匀强磁场中，由左手定则可知负电荷所受洛伦兹力的方向也是相反的。当负电荷所受的洛伦兹力方向与电场力方向相同时，根据牛顿第二定律可得4Bqvm，得v，此种情况下，负电荷运动的角速度为；当负电荷所受的洛伦兹力方向与电场力方向相反时，有2Bqvm，得v，此种情况下，负电荷运动的角速度为。综上可知，选项A、C正确。答案AC2.临界状态不唯一形成多解（多选）长为l的水平极板间有垂直纸面向里的匀强磁场，如图19所示。磁感应强度为B，板间距离也为l，极板不带电。现有质量为m、电荷量为q的带正电粒子（不计重力），从左边极板间中点处垂直磁感线以速度v水平射入磁场，欲使粒子不打在极板上，可采用的办法是（）图19A.使粒子的速度vB.使粒子的速度vC.使粒子的速度vD.使粒子的速度v解析若带电粒子刚好打在极板右上边缘，有r（r1）2l2，又因为r1，解得v1；若粒子刚好打在极板左上边缘时，有r2，解得v2，故选项A、B正确。答案AB3.运动的周期性形成多解如图20甲所示，M、N为竖直放置彼此平行的两块平板，板间距离为d，两板中央各有一个小孔O、O正对，在两板间有垂直于纸面方向的磁场，磁感应强度随时间的变化如图乙所示。有一群正离子在t0时垂直于M板从小孔O射入磁场。已知正离子质量为m、带电荷量为q，正离子在磁场中做匀速圆周运动的周期与磁感应强度变化的周期都为T0，不考虑由于磁场变化而产生的电场的影响，不计离子所受重力。求：图20（1）磁感应强度B0的大小；（2）要使正离子从O孔垂直于N板射出磁场，正离子射入磁场时的速度v0的可能值。解析（1）正离子射入磁场，洛伦兹力提供向心力B0qv0做匀速圆周运动的周期T0由以上两式得磁感应强度B0（2）要使正离子从O孔垂直于N板射出磁场，v0的方向应如图所示，两板之间正离子只运动一个周期即T0时，有R；当两板之间正离子运动n（n1，2，3，）个周期，即nT0（n1，2，3，）时，有R（n1，2，3，）。联立求解，得正离子的速度的可能值为v0（n1，2，3，）。答案（1）（2）（n1，2，3，）课时作业（时间：40分钟）基础巩固练1.在北半球，地磁场磁感应强度的竖直分量方向向下（以“”表示）。如果你家中电视机显像管的位置恰好处于南北方向，那么由南向北射出的电子束在地磁场的作用下将向哪个方向偏转（）图1A.不偏转B.向东C.向西D.无法判断解析根据左手定则可判断由南向北运动的电子束所受洛伦兹力方向向东，因此电子束向东偏转，故选项B正确。答案B2.两个质量相同、所带电荷量相等的带电粒子a、b，以不同的速率沿着AO方向射入圆形匀强磁场区域，其运动轨迹如图2所示。若不计粒子的重力，则下列说法正确的是（）图2A.a粒子带正电，b粒子带负电B.a粒子在磁场中所受洛伦兹力较大C.b粒子的动能较大D.b粒子在磁场中运动时间较长解析由左手定则可知，a粒子带负电，b粒子带正电，选项A错误；由qvBm得R，故运动的轨迹半径越大，对应的速率越大，所以b粒子的速率较大，在磁场中所受洛伦兹力较大，选项B错误；由Ekmv2可得b粒子的动能较大，选项C正确；由T知两者的周期相同，b粒子运动的轨迹对应的圆心角小于a粒子运动的轨迹对应的圆心角，所以b粒子在磁场中运动时间较短，选项D错误。答案C3.（多选）带电油滴以水平速度v0垂直进入磁场，恰做匀速直线运动，如图3所示，若油滴质量为m，磁感应强度为B，则下述说法正确的是（）图3A.油滴必带正电荷，电荷量为B.油滴必带正电荷，比荷C.油滴必带负电荷，电荷量为D.油滴带什么电荷都可以，只要满足q解析油滴水平向右匀速运动，其所受洛伦兹力必向上与重力平衡，故带正电，其电荷量q，油滴的比荷为，选项A、B正确。答案AB4.（2019江西南昌三校联考）如图4所示，匀强磁场的方向垂直纸面向里，一带电微粒从磁场边界d点垂直于磁场方向射入，沿曲线dpa打到屏MN上的a点，通过pa段用时为t。若该微粒经过P点时，与一个静止的不带电微粒碰撞并结合为一个新微粒，最终打到屏MN上。若两个微粒所受重力均忽略，则新微粒运动的 （）图4A.轨迹为pb，至屏MN的时间将小于tB.轨迹为pc，至屏MN的时间将大于tC.轨迹为pa，至屏MN的时间将大于tD.轨迹为pb，至屏MN的时间将等于t解析由Bqvm，得R，碰撞过程动量守恒。动量p、电荷量q都不变，可知粒子碰撞前后的轨迹半径R不变，故轨迹应为pa，因周期T可知，因m增大，故粒子运动的周期增大，因所对应的弧线不变，圆心角不变，故pa所用的时间将大于t，C正确。答案C5.（2019北京朝阳区模拟）如图5所示，在MNQP中有一垂直纸面向里的匀强磁场。质量和电荷量都相等的带电粒子a、b、c以不同的速率从O点沿垂直于PQ的方向射入磁场，图中实线是它们的轨迹。已知O是PQ的中点，不计粒子重力。下列说法中正确的是（）图5A.粒子a带负电，粒子b、c带正电B.射入磁场时粒子a的速率最小C.射出磁场时粒子b的动能最小D.粒子c在磁场中运动的时间最长解析根据左手定则可知a粒子带正电，b、c粒子带负电，所以选项A错误；由洛伦兹力提供向心力，有qvBm，得v，可知b的速度最大，c的速度最小，动能最小，选项B、C错误；根据qvBmr和v可知，T，即各粒子的周期一样，粒子c的轨迹对应的圆心角最大，所以粒子c在磁场中运动的时间最长，选项D正确。答案D6.空间有一圆柱形匀强磁场区域，该区域的横截面的半径为R，磁场方向垂直于横截面。一质量为m、电荷量为q（q0）的粒子以速度v0沿横截面的某直径射入磁场，离开磁场时速度方向偏离入射方向60。不计重力，该磁场的磁感应强度大小为 （）A. B. C. D.解析带电粒子运动轨迹如图所示，由于偏转角等于圆心角，所以有tan 30，rR，由r可得B，选项A正确。答案A7.如图6所示，直角坐标系中y轴右侧存在一垂直纸面向里、宽为a的有界匀强磁场，磁感应强度为B，右边界PQ平行于y轴，一粒子（重力不计）从原点O以与x轴正方向成角的速率v垂直射入磁场，当斜向上射入时，粒子恰好垂直PQ射出磁场，当斜向下射入时，粒子恰好不从右边界射出，则粒子的比荷及粒子恰好不从右边界射出时在磁场中运动的时间分别为（）图6A. B.C. D.解析粒子在磁场中运动轨迹如图所示，则由图知斜向上射入时有rsin a，斜向下射入时有rsin ar，联立求得30，且r2a，由洛伦兹力提供向心力得Bqvm，解得r，即粒子的比荷为，所以粒子恰好不从右边界射出时在磁场中运动的圆心角为2（9030）120，运动时间为t，选项C正确。答案C8.（多选）如图7所示，MN两侧均有垂直纸面向里的匀强磁场，MN左侧磁感应强度大小为B1，右侧磁感应强度大小为B2，有一质量为m、电荷量为q的正离子，自P点开始以速度v0向左垂直MN射入磁场中，当离子第二次穿过磁场边界时，与边界的交点Q位于P点正上方，PQ之间的距离为。不计离子重力，下列说法正确的是（）图7A.B2B1B.B2B1C.离子从开始运动至第一次到达Q点所用时间为D.离子从开始运动至第一次到达Q点所用时间为解析画出离子在匀强磁场中的运动轨迹，如图所示。由qvBm，解得r，在磁感应强度为B1的区域，r1，在磁感应强度为B2的区域，r2，根据题述，2r22r1，联立解得B2B1，选项A正确，B错误；由T可知，离子在左侧匀强磁场中的运动时间t1，离子在右侧匀强磁场中的运动时间t2，离子从开始运动到第一次到达Q点所用时间为tt1t2，选项C正确，D错误。答案AC综合提能练9.（2016全国卷，18）一圆筒处于磁感应强度大小为B的匀强磁场中，磁场方向与筒的轴平行，筒的横截面如图8所示。图中直径MN的两端分别开有小孔，筒绕其中心轴以角速度顺时针转动。在该截面内，一带电粒子从小孔M射入筒内，射入时的运动方向与MN成30角。当筒转过90时，该粒子恰好从小孔N飞出圆筒。不计重力。若粒子在筒内未与筒壁发生碰撞，则带电粒子的比荷为（）图8A. B. C. D.解析画出粒子的运动轨迹如图所示，由洛伦兹力提供向心力得，qvBm，又T，联立得T由几何知识可得，轨迹的圆心角为，在磁场中运动时间tT，粒子运动和圆筒运动具有等时性，则T，解得，故选项A正确。答案A10.（多选）如图9，一粒子发射源P位于足够长绝缘板AB的上方d处，能够在纸面内向各个方向发射速率为v、比荷为k的带正电的粒子，空间存在垂直纸面的匀强磁场，不考虑粒子间的相互作用和粒子重力。已知粒子做圆周运动的半径大小恰好为d，则（）图9A.磁感应强度的大小为B.磁感应强度的大小为C.同一时刻发射出的带电粒子打到板上的最大时间差为D.同一时刻发射出的带电粒子打到板上的最大时间差为解析根据qvBm和Rd、k得B，选项A错误，B正确；能打到板上的粒子中，在磁场中运动时间最长和最短的运动轨迹示意图如