磁场对电流和运动电荷的作用(导学案).doc

第6章 磁场对电流和运动电荷的作用【自我探究】阅读课本的导入内容，思考下面的问题：（1）奥斯特的发现是偶然的吗？（2）生活中有这样的启示吗？第1节 探究磁场对电流的作用【预习与思考】物理学上把磁场对电流力的作用叫做安培力，这一规律我们已经在上一章已经认识到，但是我们遗留了几个问题：（1）磁场对电流的作用有哪些因素有关？（2）如何进行计算？现在，请你设计实验来解决这个问题。【同步课堂】一、 探究实验：安培力的影响因素（使用书上的实验进行）1、猜想：安培力的影响因素 2、探究方法： 3、探究电流方向与磁场的关系：（为了使问题简单，我们使用匀强磁场）情形1：电流方向与磁场方向平行： 情形2：电流方向与磁场方向垂直： 情形3：电流方向与磁场方向介于平行和垂直之间： 结论1： 4、探究垂直情况下安培力的影响因素情形1：通电导线长度和电流不变，改变磁感应强度 情形2：通电导线长度和磁感应强度不变，改变电流 情形3：磁感应强度和电流不变，改变通电导线长度 结论2： 以下部分为你的课堂笔记：一、 安培力的大小和方向1、大小： 2、公式的适用条件通电导线与磁场方向 3、方向： 二、电流表原理1、电流表的构造： 2、电流表的原理：蹄形磁体和铁芯间的磁场是均匀辐向分布的，放在其中的通电线圈不管转到什么角度，它的平面都跟磁感线平行，线圈两边所受的安培力始终跟线圈平面垂直，使线圈转动。线圈转动时，通过转轴收紧两根螺旋弹簧，这样，线圈在通电时除了受到安培力外，还受到弹簧的阻碍作用，当这两种力达到一种平衡时，线圈停在一定位置上。电流越大，安培力也越大，于是线圈转角也越大。可见，转角与I有关。可以证明，线圈的偏转角与电流I成正比。【考点探究】考点一：对安培力的认识1、 安培力的计算方法当B与I垂直时，F=BIL；当B与I成角时，；当B与I平行时，F=02、公式和中的l指的是“有效长度”，如图所示，弯曲导线的有效长度l等于两端点直线的长度。例1 判断同向电流与异向电流之间的相互作用例2 如图，长为的直导线拆成边长相等，夹角为的形，并置于与其所在平面相垂直的匀强磁场中，磁感应强度为，当在该导线中通以电流强度为的电流时，该形通电导线受到的安培力大小为（A）0 （B）0.5 （C）（D）考点二：安培力作用下的平衡问题1、对通电导体在磁场、重力场中的平衡问题的处理方法和静力学问题一样，不同之处就是多了一个安培力2、解决这类问题的关键（1）受力分析时注意安培力的大小和方向（2）画好导体受力的平面图例3 参考优化设计例题3【课外探究】奥斯特与电流磁效应1819 年上半年到1820年下半年，奥斯特一面担任电、磁学讲座的主讲，一面继续研究电、磁关系。1820年4月，在一次讲演快结束的时候，奥斯特抱着试试看的 心情又作了一次实验。他把一条非常细的铂导线放在一根用玻璃罩罩着的小磁针上方，接通电源的瞬间，发现磁针跳动了一下。这一跳，使有心的奥斯特喜出望外， 竟激动得在讲台上摔了一跤。但是因为偏转角度很小，而且不很规则，这一跳并没有引起听众注意。以后，奥斯特花了三个月，作了许多次实验，发现磁针在电流周 围都会偏转。在导线的上方和导线的下方，磁针偏转方向相反。在导体和磁针之间放置非磁性物质，比如木头、玻璃、水、松香等，不会影响磁针的偏转。 1820年7月21日，奥斯特写成论磁针的电流撞击实验的论文，这篇仅用了4页纸的论文，是一篇极其简洁的实验报告。奥斯特在报告中讲述了他的实验装置和60多个实验的结果，从实验总结出：电流的作用仅存在于载 流导线的周围；沿着螺纹方向垂直于导线；电流对磁针的作用可以穿过各种不同的介质；作用的强弱决定于介质，也决定于导线到磁针的距离和电流的强弱；铜和其 他一些材料做的针不受电流作用；通电的环形导体相当于一个磁针，具有两个磁极，等等。正式向学术界宣告发现了电流磁效应。第2节 磁场对运动电荷的作用【预习与思考】 磁场对电流的作用称为安培力，但存在这样一个问题：安培力的本质是什么？这个力与形成电流的运动电荷有关吗？如果有，两者之间有关系吗？请你设计一个实验来验证。【同步课堂】一、探究磁场对运动电荷的作用1、寻找磁场的作用对象情形1：把一段不通电的导体放入磁场中 情形2：把一个带电的通草球放入磁场中 结论与猜想： 2、探究磁场对运动电荷是否有作用 给阴极射线管接上电源，在射线管中形成电子流情形1：没有外加磁场时，观察电子流的运动 情形2：将磁极慢慢靠近电子流，观察电子流的变化 结论： 情形3：反转磁极，观察电子流的变化 结论： 以下为你的笔记一、洛伦兹力1、定义： 2、洛伦兹力的推导： 设有一段长为L的通电导体，横截面积为S，单位体积内含有的自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量为q，定向移动的平均速度为v，垂直放入磁感应强度为B的匀强磁场中。 导体所受安培力F= 导体中的电流I= 导体中的自由电荷总数N= ，每个电荷所受洛伦兹力的大小 3、表达式： 4、适用条件： 二、洛伦兹力的方向1、判断方法： 2、 注意问题：洛伦兹力方向与运动电荷方向 F、V、B三者关系： 若V与B不垂直： 【考点探究】考点：洛伦兹力方向的判断左手定则1、洛伦兹力的方向垂直与B、V确定的平面2、对正电荷，四指指向速度方向，对负电荷，四指指向速度的反方向【例】每时每刻都有大量宇宙射线向地球射来，地磁场可以改变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，在地磁场的作用下，它将 A向东偏转 B向南偏转 C向西偏转 D向北偏转 【课外研究】电磁炮电磁炮的原理非常简单，19世纪，英国科学家法拉第发现，位于磁场中的导线在通电时会受到一个力的推动，同时，如果让导线在磁场中作切割磁力线的运动，导线上也会产生电流。这就是著名的法拉第电磁感应定律。正是根据这一定律人们发明了现在广泛应用的发电机和电动机，它也是电磁炮的基本原理，或者说，电磁炮不过是一种比较特殊的电动机，因为它的转子不是旋转的，而是作直线加速运动的炮弹。 那么如何产生驱动炮弹的磁场，并让电流经过炮弹，使它获得前进的动力呢？一个最简单的电磁炮设计如下：用两根导体制成轨道，中间放置炮弹，使电流可以通过三者建立回路。把这个装置放在磁场中，并给炮弹通电，炮弹就会加速向前飞出。在1980年，美国西屋公司为“星球大战”建造的实验电磁炮基本就是这样的结构。它把质量为300克的炮弹加速到了每秒约4千米。如果是在真空中，这个速度还可提高到每秒810千米，这已经超过了第一宇宙速度，具备了作为一种新型航天发射装置的理论资格。第3节 洛伦兹力的运用【预习与思考】 处于磁场中的导体会受到安培力的作用，安培力将对导体做功。若是运动电荷处于磁场中，将会受到洛伦兹力的作用，请问：洛伦兹力对运动电荷做功吗？若运动电荷处于与之垂直的磁场时，它的运动轨迹是怎样的？【同步课堂】一、运动电荷在无限磁场的运动现在观察洛伦兹力演示仪，记录观察到的现象并做理论分析1、当电子的运动方向与磁场方向平行时： 理论分析 2、当电子的运动方向与磁场方向垂直时： 理论分析 3、 当电子的运动方向与磁场方向不垂直时： 理论分析 例1 现有一带正电粒子的质量为m，电荷量为q，速度为v，垂直的射入磁感应强度为B的匀强磁场中，回答下面的问题：（1）作出运动的轨迹并确定圆心（2）轨道半径有多大？（3）周期为多少？二、运动电荷在有限无界场中的运动例2现有一带正电粒子的质量为m，电荷量为q，速度为v，以边界夹角为垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中，回答下面的问题：（1）作出运动的轨迹并确定圆心（2）轨道半径有多大？（3）周期为多少？通过以上分析我们可以得到一个有用的结论： 例3：现有一带正电粒子的质量为m，电荷量为q，速度为v，垂直的射入宽度为L磁感应强度为B的匀强磁场中，回答下面的问题：1、 轨迹及圆心的确定2、 轨道半径和周期3、 竖直偏转位移4、 偏转角度5、穿越时间6、两个重要结论 对圆心确定方法的总结： 三、运动电荷在有界场中的运动例4 如图所示为边长为L的正方形有界场，现有一带正电粒子的质量为m，电荷量为q，速度为v从左边界中部垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中，求粒子可以射出磁场的速度范围？例5如图所示为半径为R的圆形有界场，现有一带正电粒子的质量为m，电荷量为q，速度为v从某一半径方向垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中，回答下面的问题：1、 圆心的确定2、 半径和周期3、 圆心角与穿越时间4、 竖直偏转位移通过以上分析我们可以得到一个有用的结论： 四、洛伦兹力的运用1、带电粒子在组合场的运用质谱仪2、带电粒子在复合场的运用速度选择器3、带电粒子在组合场的运用回旋加速器设计原理加速电场及其频率最大速度与动能加速时间4、霍尔效应霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。【课外研究】磁流体发电机磁流体发电机，又叫等离子发电机，是根据霍尔效应，用导电流体，例如空气或液体，与磁场相对运动而发电的一种设备。 磁流体发电，是将带电的流体(离子气体或液体)以极高的速度喷射到磁场中去，利用磁场对带电的流体产生的作用，从而发出电来。 最简单的开式磁流体发电机由燃烧室、发电通道和磁体组成。工作过程是在化石燃料燃烧后产生的高温气体中，加入易电离的钾盐或钠盐，使起部分电离后，经喷管加速产生高达摄氏3000度、速度达到1000米秒的高温高速导电气体，最后产生电流。磁流体发电中的带电流体，它们是通过加热燃料、惰性气体、碱金属蒸气而得到的。在几千摄氏度的高温下，这些物质中的原子和电子的运动都很剧烈，有些电子甚至可以脱离原子核的束缚，结果，这些物质变成自由电子、失去电子的离子以及原子核的混合物，这就是等离子体。将等离子体以超音速的速度喷射到一个加有强磁场的管道里面，等离子体中带有正、负电荷的高速粒子，在磁场中受到洛伦兹力的作用，分别向两极偏移，于是在两极之间产生电压，用导线将电压接入电路中就可以使用了。 磁流体发电的另一个好处是产生的环境污染少。利用火力发电，燃烧燃料产生的废气里含有大量的二氧化硫，这是造成空气污染