磁场对运动电荷的作用力

1 / 14 磁场对运动电荷的作用力 本资料为 WoRD文档，请点击下载地址下载全文下载地址 选修 3-1 第三章 3 5 磁场对运动电荷的作用 一、教材分析 洛仑兹力的方向是重点，实验结合理论探究洛仑兹力方向，再由安培力的表达式推导出洛仑兹力的表达式的过程是培养学生逻辑思维能力的好机会，一定要让全体学生都参与这一过程。 二、教学目标： （一）知识与技能 1、理解洛伦兹力对粒子不做功 . 2、理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀磁场中做匀速圆周运动 . 3、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，并会用它们解答有关问题 .知道质谱仪的工作原理。 4、知道回旋加速器的基本构造、工作原理、及用途。 （二）过程与方法 通过综合运用力学知识、电磁学知识解决带电粒子在复合场（电场、磁场）中的问题 . 培养学生的分析推理能力 . 2 / 14 （三）情感态度与价值观 通过对本节的学习，充分了解科技的巨大威力，体会科技的创新历程。 三、教学重点难点 重点：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期公式，并能用来分析有关问题 . 难点： 1.粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动 . 四、学情分析 本节是安培力的延续，又是后面学习带电体在磁场中运动的基础，还是力学分析中重要的一部分。学好本节，对以后力学综合中涉及洛伦兹力的分析，对利用功能关系解力学问题，有很大的帮助。 五、教学方法 实验观察法、逻辑推理法、讲解法 六、课前准备 1、学生的准备：认真预习课本及学案内容 2、教师的准备：多媒体课件制作，课前预习学案，课内探究学案，课后延伸拓展学案 演示实验 七、课时安排： 1 课时 八、教学过程 3 / 14 （一）预习检查、总结疑惑 （二）情景引入、展示目标 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）如图，判定安培力的方向 若已知上图中： B=10 -2T，导线长 L=10cm， I=1A。求：导线所受的安培力大小？ （ 2）电流是如何形成的？电荷的定向移动形成电流。 磁场对电流有力的作用，电流是由电荷的定向移动形成的，大家会想到什么？ 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。 演示实验用阴极射线管研究磁场对运动电荷的作用。如图 说明电子射线管的原理： 从阴极发射出来电子，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。 分析得出结论：磁场对运动电荷有作用。 （三）合作探究、精讲点播 4 / 14 1、洛伦兹力的方向和大小 运动电荷在磁场中受到的作用力称为洛伦兹力。通电导线在磁场中所受安培力实际是洛伦兹力的宏观表现。 方向（左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且都和手掌在一个平面内，让磁感线垂直穿入手心，并使伸开的四指指向正电荷运动的方向 ，那么，大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。 如果运动的是负电荷，则四指指向负电荷运动的反方向，那么拇指所指的方向就是负电荷所受洛伦兹力的方向。 思考： 1、试判断下图中所示的带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的方向。 甲乙丙丁 下面我们来讨论 B、 v、 F 三者方向间的相互关系。如图所示。 结论： F 总垂直于 B 与 v 所在的平面。 B 与 v 可以垂直，可以不垂直。 洛伦兹力的大小 若有一段长度为 L 的通电导线，横截面积为 S，单位体积中含有的自由电荷数为 n，每个自由电荷的电量为 q，定 向移动的平均速率为 v，将这段导线垂直于磁场方向放入磁感应强度为 B 的磁场中。 5 / 14 这段导体所受的安培力为 F 安 =BIL 电流强度 I 的微观表达式为 I=nqSv 这段导体中含有自由电荷数为 N=nLS。 安培力可以看作是作用在每个运动上的洛伦兹力 F 的合力，这段导体中含有的自由电荷数为 nLS，所以每个自由电荷所受的洛伦兹力大小为 当运动电荷的速度 v 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 上式中各量的单位： 为牛（ N）， q 为库伦（ c）， v 为米 /秒（ m/s）， B 为特斯拉（ T） 思考与讨论： 同学们讨论一下带电粒子在磁场中运动时，洛伦兹力对带电粒子是否做功？ 教师引导学生分析得： 洛伦兹力的方向垂直于 v和 B组成的平面即洛伦兹力垂直于速度方向，因此 洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小，所以洛伦兹力对电荷不做功。 思考： 2、电子的速率 v=3106m/s ，垂直射入 B=的匀强磁场中，它受到的洛伦兹力是多大？ 6 / 14 3、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，则这些质子在进入地球周围的空间时，将_ A竖直向下沿直线射向地面 B相 对于预定地面向东偏转 c相对于预定点稍向西偏转 D相对于预定点稍向北偏转 2、电视显像管的工作原理 在图 4 中，如图所示： （ 1）要是电子打在 A 点，偏转磁场应该沿什么方向？垂直纸面向外 （ 2）要是电子打在 B 点，偏转磁场应该沿什么方向？垂直纸面向里 （ 3）要是电子打从 A 点向 B 点逐渐移动，偏转磁场应该怎样变化？ 先垂直纸面向外并逐渐减小，然后垂直纸面向里并逐渐增大。 学生阅读教材，进一步了解显像管的工作过程。 （四）反思总结、当堂检测 （五）发导学案、布置作业 完成 P103“ 问题与练习 ” 第 1、 2、 5 题。书面完成第 3、 4题。 九、板书设计 1、洛伦兹力的方向：左手定则 7 / 14 2、洛伦兹力的大小： 3、电视显像管的工作原理 十、教学反思 “ 思考与讨论 ” 在课堂上可组织学生开展小组讨论，根据线索的实际情况灵活铺设台阶，让不同层次的学生在讨论中有比较深刻的感受，然后通过交流发言得出正确结论。 临清三中 物理 朱广明 盛淑贞 选修 3-1 第三章 3 5 磁场对运动电荷的作用 课前预习学案 一、预习目标 1、知道什么是洛伦兹力。 2、利用左手定则会判断洛伦兹力的方向。 3、 掌握垂直进入磁场方向的带电粒子，受到洛伦兹力大小的计算。 4、了解电视机显像管的工作原理。 二、预习内容 1运动电荷在磁场中受到的作用力，叫做。 2洛伦兹力的方向的判断 左手定则： 让磁感线手心，四指指向的方向，或负电荷运动的，拇指所指电荷所受的方向。 8 / 14 3洛伦兹力的大小 :洛伦兹力公式 。 4洛伦兹力对运动电荷，不会电荷运动的速率。 5显像管中使电子束偏转的磁场是由两对线圈产生的 ,叫做偏转线圈。为了与显像管的管颈贴在一起 ,偏转线圈做成。 三、提出疑惑 课内探究学案 一、学习目标 1、利用左手定则会判断洛伦兹力的方向，理解洛伦兹力对电荷不做功。 2、掌握洛伦兹力大小的推理过程。 3、掌握垂直进入磁场方向的带电粒子，受到洛伦兹力大小的计算。 二、学习过程 例 1试判断图中所示的带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的方向 . 解答：甲中正电荷所受的洛伦兹力方向向上；乙中正电荷所受的洛伦兹力方向向下；丙中正电荷所受的洛伦兹力方向垂直于纸面指向读者；丁中正电荷所受的洛伦兹力的方向垂直于纸面指向纸里。 例 2：来自宇宙的电子流，以与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一 点，则这些电子在进入地球周围的空间时，将9 / 14 （ ） A竖直向下沿直线射向地面 B相对于预定地面向东偏转 c相对于预定点稍向西偏转 D相对于预定点稍向北偏转 解答：。地球表面地磁场方向由南向北，电子是带负电，根据左手定则可判定，电子自赤道上空竖直下落过程中受洛伦兹力方向向西。故 c 项正确 例 3：如图 3 所示，一个带正电 q 的小带电体处于垂直纸面向里的匀强磁场中，磁感应强度为 B，若小带电体的质量为m，为了使它对水平绝缘面正好无压力，应该（） A使 B 的数值增大 B使磁场以速率 v mgqB，向上移动 c使磁场以速率 v mgqB，向右移动 D使磁场以速率 v mgqB，向左移动 解答：为使小球对平面无压力，则应使它受到的洛伦兹力刚好平衡重力，磁场不动而只增大 B，静止电荷在磁场里不受洛伦兹力， A 不可能；磁场向上移动相当于电荷向下运动，受洛伦兹力向右，不可能平衡重力；磁场以 V 向右移动，等同于电荷以速率 v 向左运动，此时洛伦兹力向下，也不可能平衡重力。故 B、 c 也不对；磁场以 V 向左移动，等同于电荷以速率 v 向右运动，此时洛伦兹力向上。当 qvB mg时，带电体对绝缘水平面无压力，则 v mgqB，选项 D 正确。 三、反思总结 10 / 14 四、当堂检测 1.一个电子穿过某一空间而未发生偏转，则（） A此空间一定不存在磁场 B此空间可能有方向与电子速度平行的磁场 c此空间可能有磁场，方向与电子速度垂直 D以上说法都不对 2.一束带电粒子沿水平方向飞过静止的小磁针的正上方，小磁针也是水平放置，这时小磁针的南极向西偏转，则这束带电粒子可能是 （ ） A由北向南飞行的正离子束 B由南向北飞行的正离子束 c由北向南飞行的负离子束 D由南向北飞行的负离子束 3.电子以速度 v0 垂直进入磁感应强度为 B 的匀强磁场中，则 （） A磁场对电子的作用力始终不做功 B磁场对电子的作用力始终不变 c电子的动能始终不变 D电子的动量始终不变 4.如图所示，带电粒子所受洛伦兹力方向垂直纸面向外的是（） 11 / 14 5.如图所示，空间有磁感应强度为 B，方向竖直向上的匀强磁场，一束电子流以初速 v 从水平方向射入，为了使电子流经过磁场时不偏转（不计重力），则在磁场区域内必须同时存在一个匀强电场，这个电场的场强大小与方向应是 （） A B/v，方向竖直向上 B B/v，方向水平向左 c Bv，垂直纸面向里 D Bv，垂直纸面向外 课后练习与提高 1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的电场方向一致 D电荷若受磁场力，则受力方向与该处的磁场方向垂直 2如果运动电荷在磁场中运动时除磁场力作用外不受其他任 何 力 作 用 ， 则 它 在 磁 场 中 的 运 动 可 能 是 （ ） A匀速圆周运动 B匀变速直线运动 c变加速曲线运动 D匀变速曲线运动 3电子束以一定的初速度沿轴线进入螺线管内，螺线管中通以方向随时间而周期性变化的电流，如图所示，则电子束12 / 14 在螺线管中做 （ ） A匀速直线运动 B匀速圆周运动 c加速减速交替的运动 D来回振动 4带电荷量为 +q 的粒子在匀强磁场中运动 ,下面说法中正确的是 A只要速度大小相同 ,所受洛伦兹力就相同 ( ) B如果把 +q改为 -q,且速 度反向、大小不变 ,则洛伦兹力的大小不变 c洛伦兹力方向一定与电荷速度方向垂直 ,磁场方向一定与电荷运动方向垂直 D粒子只受到洛伦兹力的作用 .不可能做匀速直线运动 5如图，是电视机的像管的结构示意图 ,荧光屏平面位于坐标平面 xoy， y 轴是显像管的纵轴线 ,位于显像管尾部的灯丝被电流加热后会有电子逸出 ,这些电子在加速电压的作用下以很高的速度沿 y 轴向十 y 方向射出 .构成了显像管的 “ 电子枪 ” 。如果没有其他力作用 ,从电子枪发射出的高速电子将做匀速直线运动打到坐标原 o使荧光屏的正中间出现一个亮点。当在显像管的管 颈处的较小区域 (图中 B 部分 )加沿 z方向的磁场 (偏转磁场 ),亮点将偏离原点 0 而打在 x 轴上的某一点 ,偏离的方向和距离大小依赖于磁场的磁感应强度 B。为使荧光屏上出现沿 x 轴的一条贯穿全屏的水平亮线 (电子13 / 14 束的水平扫描运动 )，偏转磁场的磁感应强度随时间变化的规律是图中 ( ) 6如图所示，带电小球在匀强磁场中沿光滑绝缘的圆弧形轨道的内侧来回往复运动，它向左或向右运动通过最低点时 （ ） 速度相同 B加速度相同 c所受洛伦兹力相 同 D轨道给