高中物理 第3章 第5节研究洛仑兹力课件 粤教版选修31 .ppt

第五节研究洛伦兹力 1 双选 下列关于磁电式电流表的说法中正确的是 a 电流表的工作原理是安培力对通电导线的加速作用b 电流表的工作原理是安培力对通电导线的转动作用c 电流表指针的偏转角度与所通电流大小成正比d 电流表指针的偏转角度与所通电流大小成反比 答案 bc 精彩回眸 2 双选 如图3 5 2所示 一个矩形线圈放在磁场中能绕oo 轴转动 当线圈中通有如图所示方向的恒定电流时 在线圈转动90 的过程中 图3 5 2 a ab边和cd边所受到的安培力不变 磁场力矩逐渐减小b ab边和cd边所受的安培力逐渐减小 磁力矩也减小c ad边和cd边始终不受安培力d ad边和cb边所受的安培力逐渐变大 但磁力矩为零 答案 ad 一 洛伦兹力的方向1 洛伦兹力 运动电荷在磁场中所受的力称为洛伦兹力 2 用左手定则判断洛伦兹力的方向 伸开左手 使拇指与其余四指垂直且都与手掌在同一个平面内 让磁感线垂直穿过掌心 并使四指指向正电荷运动的方向 则拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向 若电荷为负电荷 则四指指向负电荷运动的 知识梳理 反方向 二 洛伦兹力的大小1 计算大小 1 若已知运动电荷的速度v的方向与磁感应强度b的方向垂直时 则电荷所受的洛伦兹力大小为f 2 若已知运动电荷的速度v的方向与磁感应强度b的方向不垂直时 设夹角为 则电荷所受的洛伦兹力大小为f 3 若已知运动电荷的速度v的方向与磁感应强度b的方向平行 则电荷所受的洛伦兹力大小为f qvb qvbsin 0 2 洛伦兹力与安培力的关系 1 安培力是洛伦兹力的宏观表现 洛伦兹力是安培力的微观解释 2 方向关系 洛伦兹力f的方向与安培力f的方向 3 大小关系 f nf 式中的n是导体中定向运动的电荷数 相同 思考 洛伦兹力与安培力有什么联系和区别 答案 洛伦兹力是单个运动电荷在磁场中受到的力 而安培力是导体中所有定向移动的自由电荷受到的洛伦兹力的宏观表现 尽管安培力是自由电荷定向移动受到的洛伦兹力的宏观表现 但也不能认为安培力就是简单的等于所有定向移动电荷所受洛伦兹力的和 一般只有当导体静止时才能这样认为 洛伦兹力恒不做功 但安培力却可以做功 1 决定洛伦兹力方向的因素有三个 电荷的电性 正 负 速度方向 磁感应强度的方向 当电荷电性一定时 其他两个因素中 如果只让一个因素相反 则洛伦兹力方向必定相反 如果同时让两个因素相反 则洛伦兹力方向将不变 洛伦兹力方向的讨论 2 在研究电荷的运动方向与磁场方向垂直的情况时 由左手定则可知 洛伦兹力的方向既与磁场方向垂直 又与电荷的运动方向垂直 即洛伦兹力垂直于v和b两者所决定的平面 3 1 判断负电荷在磁场中运动所受洛伦兹力的方向 四个手指要指向负电荷运动的反方向 2 电荷运动的速度v和b不一定垂直 但洛伦兹力一定垂直于磁感应强度b和速度v 例1 如图3 5 3所示 在真空中 水平导线中有恒定电流i通过 导线的正下方有一质子初速度方向与电流方向相同 则质子可能的运动情况是 a 沿路径a运动b 沿路径b运动c 沿路径c运动d 沿路径d运动 图3 5 3 解析 由安培定则 电流在下方产生的磁场方向指向纸外 由左手定则 质子刚进入磁场时所受洛伦兹力方向向上 则质子的轨迹必定向上弯曲 因此c d必错 由于洛伦兹力方向始终与电荷运动方向垂直 故其运动轨迹必定是曲线 则b正确 a错误 答案 b 每时每刻都有大量带电的宇宙射线向地球射来 地球磁场可以有效地改变这些射线中大多数带电粒子的运动方向 使它们不能到达地面 这对地球上的生命有十分重要的意义 假设有一个带正电的宇宙射线粒子正垂直于地面向赤道射来 如图3 5 4所示 地球由西向东转 虚线表示地球自转轴 上方为地球北极 在地球磁场的作用下 它将 图3 5 4 a 向东偏转b 向南偏转c 向西偏转d 向北偏转 答案 a 地球表面地磁场方向由南向北 带正电的粒子自赤道上空下落过程所受洛伦兹力可由左手定则判知向东 故a正确 1 公式导出如图3 5 5所示 直导线长l 电流为i 导线中运动电荷数为n 截面积为s 电荷的电荷量为q 运动速度为v 则安培力f bil nf 洛伦兹力的大小 图3 5 5 2 大小特点 1 只有运动电荷受洛伦兹力 静止电荷不受洛伦兹力 2 电荷垂直磁场运动时 洛伦兹力最大 平行磁场运动时不受洛伦兹力 可见 电荷在磁场中是否受洛伦兹力与电荷的运动情况有关 3 洛伦兹力可以是恒力 大小 方向均不变 也可以是变力 有三种变化方式 只有大小变化 只有方向变化 大小 方向同时变化 出现以上各种情况均与运动电荷的速度变化情况相对应 带电粒子垂直匀强磁场方向做匀速直线运动时 洛伦兹力就是恒力 3 洛伦兹力和电场力的比较 4 洛伦兹力与安培力的区别与联系 1 区别 洛伦兹力是单个运动电荷在磁场中受到的力 而安培力是导体中所有定向移动的自由电荷受到的洛伦兹力的宏观表现 尽管安培力是自由电荷定向移动时受到的洛伦兹力的宏观表现 但也不能认为安培力就简单地等于所有定向移动电荷所受洛伦兹力的和 一般只有当导体静止时才能这样认为 洛伦兹力不论是恒力还是变力 始终与电荷运动方向垂直 一定不做功 但安培力却可以做功 此时 通电导体一定是运动的 2 联系 洛伦兹力和安培力在本质上都是运动电荷在磁场中所受的磁场力 例2 一个速度为零的质子 经过电压为1880v的电场加速后 垂直进入磁感应强度为5 0 10 4t的匀强磁场中 质子受到的洛伦兹力是多大 洛伦兹力与质子的重力的比值是多大 质子质量m 1 67 10 27kg g取10n kg 题后反思 1 由此题可以看出 质子 或者电子 粒子和正 负离子等 受到的洛伦兹力远远大于其所受重力 所以这类粒子在磁场中运动时 重力的影响可以忽略不计 2 重力考虑与否分三种情况 对于微观粒子 如电子 质子 离子等一般不作特殊说明就可以不计其重力 因为其重力一般情况下与电场力或磁场力相比太小 可以忽略 对于一些实际物体 如带电小球 液滴 金属块等不作特殊说明就应当考虑其重力 这种情况比较正规 也比较简单 直接看不出是否要考虑重力 但在进行受力分析与运动分析时 要有分析结果 先进行定性确定 再看是否要考虑其重力大小 在如图3 5 6所示的各图中 匀强磁场的磁感应强度均为b 带电粒子的速率均为v 带电荷量均为q 试求出图中带电粒子所受洛伦兹力的大小 并标出洛伦兹力的方向 图3 5 6 答案 见解析 题后反思公式f qvbsin 中的 是v与b间的夹角 计算时要注意题目中所给的角度是不是这个夹角 例3 如图3 5 7所示 在真空中匀强电场的方向竖直向下 匀强磁场的方向垂直纸面向里 三个油滴a b c带有等量同种电荷 其中a静止 b向右做匀速运动 c向左做匀速运动 比较它们的重力ga gb gc的关系 正确的是 a ga最大b gb最大c gc最大d gc最小 综合 拓展 提高 图3 5 7 解析 因带电油滴a静止 故a不受洛伦兹力作用 只受重力和静电力作用 根据平衡条件可知油滴一定带负电 设油滴带电荷量为q 则ga