高中物理 第三章 磁场 4磁场对运动电荷的作用 洛伦兹力课件 教科版选修31.ppt

4磁场对运动电荷的作用 洛伦兹力 冰岛的极光 太阳风 受到了什么力的作用 这种力的方向和大小是怎样的 1 通过实验认识洛伦兹力 知道什么叫做洛伦兹力 2 知道洛伦兹力的方向与哪些因素有关 会用左手定则判定洛伦兹力的方向 重点 3 能根据安培力公式和电流强度的微观表达式推导洛伦兹力的表达式 4 会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径 周期公式 知道它们与哪些因素有关 阴极射线管的结构 阴极射线管的原理 从阴极发射出来的电子 在阴阳两极间的高压作用下 使电子加速 形成电子束 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 实验现象 在没有外磁场时 电子束沿直线运动 将蹄形磁铁靠近阴极射线管 发现电子束运动轨迹发生了弯曲 结论 磁场对运动电荷有作用力 荷兰物理学家 他是电子论的创始人 相对论中洛伦兹变换的建立者 并因在原子物理中的重要贡献 塞曼效应 获得第二届 1902年 诺贝尔物理学奖 被爱因斯坦称为 我们时代最伟大 最高尚的人 洛伦兹 lorentz 1853 1928 一 洛伦兹力 1 定义 运动电荷在磁场中受到的磁场力称为洛伦兹力 洛伦兹力使粒子运动轨迹发生偏转 来自太阳的大量带电粒子 在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中 有一种能量被称为 太阳风 这是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流 该太阳风在地球上空环绕地球流动 以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场 磁场使该颗粒流偏向地磁极下落 它们与氧原子和氮原子碰撞 击走电子 使之成为激发态的离子 这些离子发射不同波长的辐射 产生红 绿 蓝等色的极光特征色彩 形成极光 在南极地区形成的叫南极光 在北极地区同样可看到这一现象 称之为北极光 冰岛的极光 北极极光 2 洛伦兹力的大小 静止的通电导线在磁场中受到安培力的作用 电流是电荷的定向移动形成的 安培力等于磁场中粒子所受洛伦兹力的总和 即安培力是洛伦兹力的宏观表现 洛伦兹力是安培力的微观本质 设有一段长为l 横截面积为s的直导线 单位体积内的自由电荷数为n 每个自由电荷的电荷量为q 自由电荷定向移动的速率为v 这段通电导线垂直磁场方向放入磁感应强度为b的匀强磁场中 则 f bil nlsf洛 f洛 qvb 电荷量为q的粒子以速度v运动时 如果速度方向与磁感应强度方向垂直 那么粒子所受的洛伦兹力为 v垂直于b 问题 若带电粒子不垂直射入磁场 粒子受到的洛伦兹力又如何计算呢 如果速度v与磁场b不垂直 我们可以把速度v分解为垂直于磁场的v1和平行于磁场的v2 垂直于磁场方向所受的洛伦兹力f qv1b 平行于磁场方向f 0 v1 v2 3 洛伦兹力的方向 通电导线所受安培力的方向我们是用左手定则来判断的 带电粒子在磁场中所受洛伦兹力的方向 同样可以用左手定则来判断 注意四指的指向与正电荷的运动方向相同 与负电荷的运动方向相反 伸开左手 使拇指与其余四指垂直且处于同一平面内 让磁感线从掌心进入 使四指指向正电荷运动的方向 拇指所指的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向 左手定则 v f 二 带电粒子在磁场中的运动 v b 我们从左手定则可以知道 带电粒子在匀强磁场中运动所受洛伦兹力的方向总是与速度方向垂直 洛伦兹力对运动电荷不做功 即粒子速度大小不变 方向时刻改变 粒子速度怎样变化呢 洛伦兹力怎样变化呢 大小恒为f qvb 方向时刻与速度方向垂直 v 结论 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动 设圆周半径为r 根据牛顿第二定律和向心力公式有f qvb 得 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径r和周期t是怎样的呢 带电粒子做圆周运动的周期得 例1 关于带电粒子所受洛伦兹力f 磁感应强度b和粒子速度v三者之间的关系 下列说法中正确的是 a f b v三者必定两两相互垂直b f必定垂直于b v 但b不一定垂直于vc b必定垂直于f 但f不一定垂直于vd v必定垂直于f 但f不一定垂直于b b 典例分析 例2 带正电粒子以4 106m s的速率垂直射入磁感应强度为0 5t的匀强磁场中 受到的磁场力为n 如果带正电粒子射入磁场时的速度v与b的方向间的夹角是180 则电子所受的磁场力为n 3 2 10 13 0 例3 两个带电粒子沿垂直磁场方向射入同一匀强磁场中 它们在磁场中做匀速圆周运动的半径相同 且转动方向也相同 那么这两个粒子的情况是 a 两个粒子的速度大小一定相同b 两个粒子的质量一定相同c 两个粒子的运动周期一定相同d 两个粒子所带电荷种类一定相同 d 1 洛伦兹力 磁场对运动电荷的作用力安培力是洛伦兹力的宏观表现2 洛伦兹力的方向 左手定则f vf b3 洛伦兹力大小 f洛 qvbsin v bf洛 qvbv bf洛 0 5 垂直进入匀强磁场中的带电粒子 洛伦兹力提供向心力 粒子做匀速圆周运动 其半径为 周期为 4 特点 洛伦兹力只改变速度的方向 不改变速度的大小 洛伦兹力对运动电荷不做功 1 下列有关电荷所受电场力和洛伦兹力的说法中 正确的是 a 电荷在磁场中一定受磁场力的作用b 电荷在电场中一定受电场力的作用c 电荷受电场力的方向与该处电场方向垂直d 电荷若受磁场力 则受力方向与该处磁场方向垂直 bd 2 两个带电粒子以相同的速度垂直磁感线方向进入同一匀强磁场 两粒子质量之比为1 4 电量之比为1 2 则两带电粒子所受洛伦兹力之比为 a 2 1b 1 1c 1 2d 1 4 c 3 2012 广东高考 质量和电量都相等的带电粒子m和n 以不同的速率经小孔s垂直进入匀强磁场 运行的半圆轨迹如图中虚线所示 下列表述正确的是 a m带负电 n带正电b m的速率小于n的速率c 洛伦兹力对m n做正功d m的运行时间大于n的运行时间 a 解析 选a 由左手定则可知a选项正确 由得 b选项错误 由于洛仑兹力的方向始终与带电粒子的运动方向垂直 故洛仑兹力永远不会对m n做功 则c选项错 由及题给条件可知 这二个带电粒子在磁场中运动的周期相等 又由图可见二个粒子在磁场中的偏转角相等 均偏转了半个周期 故在磁场中运动的时间相等 所以d选项错误 4 质子 和 粒子 以相同的速度垂直进入同一匀强磁场中 它们在垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动 它们的轨道半径和运动周期的关系是 a rh r 1 2 th t 1 2b rh r 2 1 th t 1 2c rh r 1 2 th t 2 1d rh r 1 4 th t 1 4 a 5 月球上的磁场极其微弱 探测器通过测量运动电子在月球磁场中的轨迹来推算磁场强弱的分布 如图所示是探测器通过月球上a b c d四个位置时 电子运动轨迹的照片 设电子速率均为90m s 且方向与磁场方向垂直 其中磁场最强的是位置 图a中电子轨道半径为10cm 由公式r 知 a点的磁感应强度为t 电子荷质比为1 8 1011c kg a 5 10 9 6 2013 安徽高考 图中a b c d为四根与纸面垂直的长直导线 其横截面位于正方形的四个顶点上 导线中通有大小相同的电流 方向如图所示 一带正电的粒子从正方形中心o点沿垂直于纸面的方向向外运动 它所受洛伦兹力的方