高中物理 第6章第2节 磁场对运动电荷的作用课件 鲁科版选修31.ppt

第2节磁场对运动电荷的作用 温故知新 1 电场对静止的电荷 力的作用 电场对运动的电荷 力的作用 填 有 或 无 带正电和带负电的离子定向移动都能形成电流 但带正电离子的移动方向与电流方向 带负电离子的移动方向与电流方向 填 相同 或 相反 答案 有有相同相反 精彩回眸 2 在垂直纸面向里的匀强磁场中 有一段折成直角的金属导线abc ab bc l 导线中通有如图6 2 1所示的电流 电流强度为i 磁感应强度为b 则整根导线所受的安培力大小为多少 图6 2 1 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 拇指与其余四指垂直 且处于同一平面内 让磁感线垂直穿入手心 四指指向正电荷运动的方向 那么拇指所指的方向就是正电荷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 新知梳理 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洛的方向与安培力f安的方向 3 大小关系 f安 nf洛 式中的n是导体中定向运动的电荷数 相同 三 电视显像管的工作原理1 构造 如图6 2 2所示 图6 2 2 2 原理 阴极发射电子 经过偏转线圈 偏转线圈产生的磁场和电子运动方向垂直 电子受 发生偏转 偏转后的电子打在荧光屏上 使屏发光 3 扫描 偏转区的水平方向和竖直方向都加有偏转磁场 其方向 强弱都在不断变化 因此电子束打在荧光屏上的光点都 这种现象称为扫描 洛伦兹力 不断移动 合作探究 对洛伦兹力与安培力的理解 1 对洛伦兹力的理解 1 洛伦兹力 磁场对运动电荷的作用力 2 洛伦兹力的特点 大小a 只有运动电荷受洛伦兹力 静止电荷不受洛伦兹力 b 当v与b垂直时f qvb当v与b夹角为 时 f qvbsin 其中 0 或 180 时 f 0 即v与b平行时运动电荷不受洛伦兹力 90 时 f qvb 洛伦兹力最大 方向a 洛伦兹力的方向总是与电荷运动方向和磁场方向垂直 即洛伦兹力的方向总是垂直于电荷运动方向和磁场方向所决定的平面 f b v三者的方向关系是 f b f v 但b与v不一定垂直 b 洛伦兹力的方向随电荷运动方向的变化而变化 但无论怎么变化 洛伦兹力都与运动方向垂直 所以洛伦兹力只改变速度的方向 不改变速度的大小 2 洛伦兹力与安培力的区别和联系 1 区别 洛伦兹力是指单个运动带电粒子所受的磁场力 而安培力是指通电直导线所受到的磁场力 洛伦兹力恒不做功 而安培力可以做功 2 联系 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 大小关系 f安 nf洛 n是导体中定向运动的电荷数 方向关系 洛伦兹力与安培力的方向一致 均可用左手定则进行判断 温馨提示 1 洛伦兹力的方向始终与电荷的运动方向垂直 只改变速度的方向 不改变速度的大小 2 虽然安培力是洛伦兹力的宏观表现 但也不能简单地认为安培力就等于所有定向移动的电荷所受洛伦兹力的和 只有当导体静止时 二者才相等 1 在只受洛伦兹力的条件下 关于带电粒子在匀强磁场中运动 下列说法正确的有 a 只要粒子的速度大小相同 带电量相同 粒子所受洛伦兹力大小就相同b 洛伦兹力只改变带电粒子的运动方向c 洛伦兹力始终与速度垂直 所以洛伦兹力不做功d 洛伦兹力始终与速度垂直 所以粒子在运动过程中的动能 速度保持不变解析 带电粒子在匀强磁场中所受的洛伦兹力的大小不但与速度的大小有关 而且与速度的方向有关 当带电粒子的速度方向与磁场方向垂直时 粒子所受的洛伦兹力最大 当粒子的速度方向与磁场方向平行时 带电粒子不受洛伦兹力的作用 速度大小相同的粒子 沿不同方向进入磁场时所受的洛伦兹力的大小不同 所以选项a不正确 洛伦兹力的方向始终与速度方向垂直 所以洛伦兹力只改变速度的方向 不改变速度的大小 动能保持不变 洛伦兹力不做功 但在洛伦兹力的作用下 粒子的运动方向要发生变化 速度就要发生变化 所以本题的正确选项为b c 答案 bc 洛伦兹力与电场力的比较 温馨提示 1 电荷在电场中一定受电场力 而在磁场中不一定受洛伦兹力 2 洛伦兹力方向与速度方向一定垂直 而电场力的方向与速度方向无必然联系 2 关于电场力与洛伦兹力 以下说法正确的是 a 电荷只要处在电场中 就会受到电场力 而电荷静止在磁场中 只有可能受到洛伦兹力b 电场力对放在电场中的电荷一定会做功 而洛伦兹力对在磁场中的电荷却不会做功c 电场力与洛伦兹力一样 受力方向都是在电场线和磁感线上d 只有运动的电荷在磁场中才会受到洛伦兹力的作用 解析 静止在磁场中的电荷不可能受到洛伦兹力 所以a错 尽管电场力对电荷可以做功 但如果电荷在电场中不动或沿等势面移动 则电场力做功为零 因此b也错 洛伦兹力的方向与磁感线及运动方向垂直 故c错 所以只有d是正确的 答案 d 典例精析 洛伦兹力大小 方向的判断 例1 在图6 2 3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的洛伦兹力 图6 2 3 思路点拨 洛伦兹力大小根据公式f洛 qbvsin 计算 其方向根据左手定则判断 解析 1 因v b 所以f qvb 方向与v垂直斜向上 2 v与b夹角为30 取v与b垂直的分量 3 由于v与b平行 所以不受洛伦兹力 4 v与b垂直 故f qvb 方向与v垂直斜向上 答案 见解析反思领悟 1 分析洛伦兹力要注意粒子运动方向 磁场方向以及两个方向的夹角 f洛 平面bv 2 对负电荷判断时左手四指要指向其运动的反方向 即左手四指始终指向电流方向 如图6 2 4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6 2 4 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 带电粒子在复合场中的运动 例2 如图6 2 5所示 质量m 0 1g的小球 带有q 5 10 4c的正电荷 套在一根与水平方向成 37 的绝缘杆上 小球可以沿杆滑动 与杆间的动摩擦因数 0 4 这个装置放在磁感应强度b 0 5t的匀强磁场中 求小球无初速释放后沿杆下滑的最大加速度和最大速度 g取10m s2 图6 2 5 思路点拨 此题为综合性题目 先分析小球的受力情况 结合小球的运动状态 根据牛顿第二定律和平衡条件列方程求解 依据洛伦兹力和弹力的变化分析最大加速度和最大速度 解析 由于 tan37 因此小球由静止释放后开始下滑 由左手定则判断出小球所受的洛伦兹力的方向垂直杆向上 且随速度的增大而增大 杆对小 球的弹力由垂直于杆向上逐渐减小为零 再由垂直杆向下逐渐增大 小球的受力情况如右图所示 由牛顿第二定律得 mgsin f ma 由平衡条件得 qvb n mgcos 0 又f n 由此得 当f 0时 小球加速度最大 则amax gsin 10 0 6m s2 6m s2 当a 0时 小球的速度最大 则 答案 6m s29 2m s 反思领悟 1 带电体在磁场中运动时 若其速度大小发生变化 则洛伦兹力大小必变 但方向始终与速度方向垂直 2 洛伦兹力的变化 会影响其他力的变化 要明确各力的关系 注意临界条件的应用 如图6 2 6所示 质量为m的带电小球能沿着竖直墙竖直滑下 磁感应强度为b的匀强磁场方向垂直于纸面向外并与小球运动方向垂直 若小球带正电 电荷量为q 球与墙的动摩擦因数为 小球下滑的最大速度为 图6 2 6 解决在洛伦兹力作用下带电体运动问题基本思路1 正确的受力分析 除重力 弹力 摩擦力 要特别注意洛伦兹力的分析 2 正确分析物体的运动状态 找出物体的速度 位置及其变化特点 分析运动过程 3 恰当地灵活运用力学中的定理 定律 学会把 电学 问题 力学 化 创新拓展 例3 如图6 2 7所示 一个带负电的滑环套在水平且足够长的粗糙的绝缘杆上 整个装置处于方向如图所示的匀强磁场b中 现给滑环 图6 2 7 施以一个水平向右的瞬时速度 使其由静止开始运动 则滑环在杆上的运动情况可能是 a 始终做匀速运动b 开始做减速运动 最后静止于杆上c 先做加速运动 最后做匀速运动d 先做减速运动 最后做匀速运动 解析 带电滑环向右运动时所受洛伦兹力方向向上 其大小与滑环初速度