高中物理 第三章 磁场 5 运动电荷在磁场中受到的力课件 新人教版选修31.ppt

5运动电荷在磁场中受到的力 1 知道什么是洛伦兹力 利用左手定则判断洛伦兹力的方向 2 知道洛伦兹力大小的推导过程 3 掌握垂直进入磁场方向的带电粒子所受洛伦兹力大小的计算 4 了解v和b垂直时的洛伦兹力大小及方向判断 理解洛伦兹力对电荷不做功 5 了解电视显像管的工作原理 教学目标 重点 1 利用左手定则会判断洛伦兹力的方向 2 掌握垂直磁场方向进入磁场的带电粒子受到的洛伦兹力大小的计算 难点 1 洛伦兹力对带电粒子不做功 2 洛伦兹力方向的判断 重点难点 本节教材的重点是洛伦兹力的大小 方向和产生条件 其中公式f qvbsin 的推导和应用是个难点 由于洛伦兹力是属于微观的力学范畴 抽象是突出的特点 因此充分借助实验和已有的知识来搭桥铺路是十分重要的一环 本课时采用实验为先导的教学方法 目的是化抽象为具体 使学生对洛伦兹力产生鲜明的间接感性认识 从而激发学生的学习兴趣 在解决重点知识上采用实验 诱导 点拨 思考 讲解 自推等方法充分调动学生思维积极性 提高教学效果 对于难点的处理采取由事实出发进行猜想 推理 推论 实验的过程 实际上是由实验验证推论 推论证明推理进而证实猜想 教学建议 导入一 前面我们学习了磁场对电流的作用力 下面思考两个问题 1 如何判定安培力的方向 让学生上黑板做 若已知图3 5 1中 b 4 0 10 2t 导线长l 10cm i 1a 求导线所受的安培力大小 学生解答 解 f bil 4 10 2t 1a 0 1m 4 10 3n答 导线受的安培力大小为4 10 3n 2 什么是电流 学生答 电荷的定向移动形成电流 新课导入 教师讲述 磁场对电流有力的作用 电流是由电荷的定向移动形成的 我们会想到 这个力可能是作用在运动电荷上的 而安培力是作用在运动电荷上的力的宏观表现 演示实验 观察磁场阴极射线在磁场中的偏转 95页图3 5 1 实验 课件 教师 说明电子射线管的原理 说明阴极射线是灯丝加热放出电子 电子在加速电场的作用下高速运动而形成的电子流 轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光 可以显示电子束的运动轨迹 磁铁是用来在阴极射线周围产生磁场的 还应明确磁场的方向 新课导入 实验结果 在没有外磁场时 电子束沿直线运动 蹄形磁铁靠近电子射线管 发现电子束运动轨迹发生了弯曲 学生用左手定则判断电子束的弯曲方向 学生分析得出结论 磁场对运动电荷有作用 引出新课 新课导入 导入二 如图3 5 2所示 ab导体杆的两端分别用细线悬挂于o1 o2两点 ab导体杆处于竖直向下的匀强磁场中 提问 当开关闭合时 原本处于静止状态的导体杆状态将如何 通电直导线在垂直于自身的匀强磁场中会受到安培力的作用 依据左手定则 ab导体杆受到一个垂直黑板向里的安培力 因此ab导体杆将向黑板里的方向运动 新课导入 那么 安培力产生的本质原因是什么呢 开关的闭合与断开关系到导体杆是否受到安培力 开关的闭合与断开到底有什么本质上的不同 开关闭合后 ab中有定向移动的电荷 此时ab导体杆受到安培力 开关断开后 ab中没有定向移动的电荷 ab导体杆不受安培力 新课导入 1 运动电荷在磁场中所受的力 叫作洛伦兹力 2 洛伦兹力的方向 使用左手定则判定 判定方法 伸开左手 使拇指与其余四个手指垂直 并且都与手掌在同一个平面内 让磁感线从掌心进入 并使四指指向的方向 这时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 负电荷所受洛伦兹力的方向与正电荷所受洛伦兹力的方向相反 洛伦兹力的方向 知识必备 知识点一 正电荷运动 设磁场的方向与电荷运动的方向垂直 则洛伦兹力公式为f qvb 当v 0 即电荷与磁场无相对运动时 f 0 这表明了一个重要结论 磁场只对相对于磁场运动的电荷有作用力 而对相对于磁场静止的电荷没有作用力 洛伦兹力的大小 知识必备 知识点二 1 显像管的工作原理 电视机显像管应用了电子束磁偏转的道理 2 整个屏幕发光的原因 显像管中的电子枪打出的电子撞击到 在偏转区的水平方向和竖直方向都加有偏转磁场 其方向 强弱都周期性变化 使得电子束打在荧光屏上的光点按照一定规律不断 我们感到整个荧光屏都在发光 元电荷与比荷 知识必备 知识点三 荧光屏 移动 想一想 磁场对电流有力的作用 而电流是由运动电荷的定向移动产生的 那么 这个力是不是作用在运动电荷上的呢 磁场对运动电荷是否有力的作用呢 若有力的作用 其方向怎么判定呢 学习互动 洛伦兹力的方向 考点一 要点总结 1 决定洛伦兹力方向的三个因素 电荷的正负 速度方向 磁感应强度的方向 2 洛伦兹力的方向总是与电荷运动的方向和磁场方向垂直 即洛伦兹力的方向总是垂直于运动电荷速度方向和磁场方向确定的平面 即f b v三个量的方向关系是 f b f v 但b与v不一定垂直 3 当电荷运动方向发生变化时 洛伦兹力的方向也随之变化 4 用左手定则判定负电荷在磁场中运动所受的洛伦兹力时 应注意将四指指向负电荷运动的反方向 学习互动 学习互动 例1试判断图3 5 1中的带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的方向 其中垂直于纸面指向纸里的是 答案 d 解析 根据左手定则可以判断 选项a中的带电粒子所受的洛伦兹力方向向下 选项b中的带电粒子所受的洛伦兹力方向向上 选项c中的带电粒子所受的洛伦兹力方向垂直于纸面指向纸外 选项d中的带电粒子所受的洛伦兹力方向垂直于纸面指向纸里 d正确 图3 5 1 学习互动 例2 多选 如图3 5 2所示 一阴极射线管左侧不断有电子射出 若在管的正下方放一通电直导线ab时 发现射线的运动轨迹向下弯曲 则 a 导线中的电流方向为从a到bb 导线中的电流方向为从b到ac 要使电子束的径迹向上弯曲 可以通过改变ab中的电流方向来实现d 电子束的运动轨迹与ab中的电流方向无关 图3 5 2 学习互动 答案 bc 解析 电子在通电直导线产生的磁场中运动 无论直导线中的电流方向如何 电子的运动方向都和磁感应强度的方向垂直 根据左手定则 由于是负电荷 四指应指向左方 根据电子的偏转方向可以确定磁感应强度的方向为垂直纸面向里 根据安培定则 导线中的电流方向为从b到a 如果导线中的电流方向相反 则其产生的磁场方向也相反 会影响到电子的偏转方向 故选项b c正确 想一想 运动电荷所受的洛伦兹力与速度有何关系 它是否能改变电荷的速度呢 学习互动 洛伦兹力及其特点 考点二 要点总结 1 洛伦兹力的方向既垂直于磁场的方向又垂直于速度的方向 即垂直于磁场方向和速度方向构成的平面 2 洛伦兹力对电荷不做功 只改变速度的方向 不改变速度的大小 学习互动 学习互动 例3 多选 如图3 5 3所示 用细线吊一个质量为m的带电绝缘小球 小球处于匀强磁场中 空气阻力不计 小球分别从a点和b点向最低点o运动 当小球两次经过o点时 a 小球的动能相同b 细线所受的拉力相同c 小球所受的洛伦兹力相同d 小球的向心加速度大小相同 图3 5 3 学习互动 答案 ad 解析 带电小球受到的洛伦兹力与细线的拉力和速度方向时刻垂直 洛伦兹力对小球不做功 只改变速度方向 不改变速度大小 只有重力做功 故小球两次经过o点时速度大小相同 动能相同 选项a正确 小球分别从a点和b点向最低点o运动 两次经过o点时速度方向相反 由左手定则可知两次经过o点时洛伦兹力方向相反 细线的拉力大小不同 选项b c错误 由a 可知向心加速度大小相同 选项d正确 想一想 安培力是洛伦兹力的宏观体现 能否从安培力入手 推导洛伦兹力的计算公式 学习互动 洛伦兹力的计算 考点三 要点总结 洛伦兹力公式f qvb的推导 如图3 5 4所示 设磁感应强度为b 直导线长为l 横截面积为s 电流为i 导线中运动的电荷数为n 每个电荷所带电荷量为q 运动速度为v 则安培力f ilb nf 所以洛伦兹力f 因为i nqsv n为单位体积内的电荷数 所以f 因n nsl 故f qvb 学习互动 图3 5 4 学习互动 例4如图3 5 5所示 匀强磁场的磁感应强度为b 方向垂直纸面向外 质量为m 带电荷量为q的小球在倾角为 的光滑斜面上由静止开始下滑 若带电小球下滑后某个时刻对斜面的压力恰好为零 问 重力加速度为g 1 小球的带电性质如何 2 此时小球下滑的速度和位移分别为多大 图3 5 5 学习互动 备用习题 1 如图3 5 8所示为电视机显像管偏转线圈的示意图 当线圈通以图示的直流电时 形成的磁场如图所示 一束沿着管径轴线射向纸内的电子将 a 向上偏转b 向下偏转c 向左偏转d 向右偏转 图3 5 8 答案 d 解析 由安培定则可知在管径轴线处 磁场的方向竖直向下 电子垂直于纸面向里运动 根据左手定则可判断选项d正确 备用习题 2 2015 海南卷 如图3 5 9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 a 向上b 向下c 向左d 向右 答案 a 解析 磁极s在a点产生的磁场方向垂直于竖直面p水平向外 电子在a点的运动方向水平向右 根据左手定则判断可知洛伦兹力方向向上 选项a正确 图3 5 9 备用习题 3 多选 在如图所示的匀强电场 场强为e 和匀强磁场 磁感应强度为b 共存的场区中 一电子 不计重力 沿垂直电场线和磁感线的方向以速度v0射入场区 设电子射出场区时的速度为v 则 a 若v0 电子沿轨迹 运动 射出场区时 速度v v0b 若v0 电子沿轨迹 运动 射出场区时 速度v v0c 若v0 电子沿轨迹 运动 射出场区时 速度v v0d 若v0 电子沿轨迹 运动 射出场区时 速度v v0 备用习题 答案 bc 备用习题 4 从地面上方a点处由静止释放一电荷量为 q 质量为m的粒子 地面附近有如图所示的匀强电场和匀强磁场 电场方向水平向右 磁场方向垂直于纸面向里 粒子落地时的速度大小为v1 若电场不变 只将磁场的方向改为垂直于纸面向外 粒子落地时的速度大小为v2 则 a v1 v2b v1 v2c v1 v2d 无法判定 备用习题 答案 a 解析 带电粒子下落过程中 受到重力 电场力和洛伦兹力作用 洛伦兹力的方向跟运动方向垂直 不做功 重力做的功都一样 但电场力做的功有区别 若磁场方向垂直于纸面向里 粒子落下后沿电场力方向移动的距离比磁场方向垂直于纸面向外时的大 则电场力做的功多 故v1 v2 选项a正确 备用习题 5 在垂直于纸面向里 磁感应强度为b的匀强磁场中 有一个固定在水平地面上的光滑半圆槽 一个带电荷量为 q 质量为m的小球在如图3 5 12所示位置从静止滚下 小球滚到槽底时对槽底的压力大小等于mg 求圆槽轨道的半径r 图3 5 12 备用习题 自我检测 1 洛伦兹力的方向 图3 5 6是表示磁场磁感应强度b 负电荷运动方向v和磁场对电荷洛伦兹力f的相互关系图 这四个图中不正确的是 b v f两两垂直 答案 d 解析 应用左手定则解决三者间方向的问题 特别要注意 其余四指 的指向 图3 5 6 自我检测 2 洛伦兹力做功情况 多选 下列有关带电粒子 不计重力 运动的说法中正确的是 a 沿着电场线方向飞入匀强电场 动能一定变化b 沿着磁感线方向飞入匀强磁场 动能一定变化c 垂直于电场线方向飞入匀强电场 动能一定变化d 垂直于磁感线方向飞入匀强磁场 动能一定不变 答案 acd 解析 带电粒子沿电场线运动 静电力做功 粒子动能发生变化 带电粒子垂直于电场线进入匀强电场 做类平抛运动 静电力做功 粒子动能一定变化 带电粒子在磁场中运动 洛伦兹力不做功 动能不变 综上可知 选项a c d正确 自我检测 3 洛伦兹力 地磁场 来自宇宙的质子流 以与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一点 则这些质