磁场对运动电荷的作用力课件(人教版选修3-1).ppt

第三章磁场第五节磁场对运动电荷的作用力 人教版选修3 1 课标解读1 通过实验探究 感受磁场对运动电荷有力的作用 2 知道什么是洛伦兹力 知道运动方向与磁场垂直时洛伦兹力最大 会用左手定则判断洛伦兹力的方向 3 掌握洛伦兹力公式的推导过程 会用公式求洛伦兹力 4 了解电视机显像管的基本构成和工作原理 课前自主学习一 洛伦兹力1 定义 运动电荷在磁场中所受的力 2 与安培力的关系 通电导线在磁场中所受的安培力是洛伦兹力的宏观表现 而洛伦兹力是安培力的微观本质 二 洛伦兹力的大小和方向1 左手定则 伸开左手 使拇指与其余四指垂直 并且都与手掌在同一平面内 让磁感线从掌心进入 并使四指指向正电荷运动的方向 这时拇指所指的方向就是运动电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向 负电荷受力的方向与正电荷受力方向相反 2 特点 洛伦兹力的方向与电荷运动方向和磁场方向都垂直 洛伦兹力只改变带电粒子的运动方向 不改变速度的大小 对电荷不做功 3 洛伦兹力公式 F qvBsin 其中 为速度方向与磁感应强度方向的夹角 当v B时 F qvB 当v B时 F 0 三 电视机显像管的工作原理扫描 电视机显像管应用了电子束磁偏转的原理 使电子束偏转的磁场是由两个线圈产生的 叫做偏转线圈 为了与显像管的管颈贴在一起 偏转线圈做成了鞍形 知识梳理图 课堂互动探究一 洛伦兹力1 洛伦兹力的定义定义 磁场对运动电荷的作用力叫做洛伦兹力 2 洛伦兹力的方向的判断方法 左手定则安培力的方向根据左手定则判断 而安培力是磁场对电流的作用 运动电荷会形成电流 故运动电荷在磁场中也会受到磁场的作用力 方向仍然用左手定则来判断 张开左手 使大拇指与其余四指垂直且在同一平面内 让磁感线穿过手心 让四指指向正电荷运动方向 即运动电荷所形成等效电流方向 则大拇指所指的方向就是运动电荷所受洛伦兹力的方向 若沿该方向运动的是负电荷 则所形成等效电流的方向与负电荷运动方向相反 2 洛伦兹力的方向的判断方法 左手定则安培力的方向根据左手定则判断 而安培力是磁场对电流的作用 运动电荷会形成电流 故运动电荷在磁场中也会受到磁场的作用力 方向仍然用左手定则来判断 张开左手 使大拇指与其余四指垂直且在同一平面内 让磁感线穿过手心 让四指指向正电荷运动方向 即运动电荷所形成等效电流方向 则大拇指所指的方向就是运动电荷所受洛伦兹力的方向 若沿该方向运动的是负电荷 则所形成等效电流的方向与负电荷运动方向相反 3 洛伦兹力的大小 1 推导洛伦兹力公式令长为L的一段直导线 其中的电流强度为I 处在磁场强度为B的磁场中 导线与磁场垂直 则磁场作用于这段导线上的安培力的大小为 F BIL 设此导线的截面积为S 其中每单位体积中有n个自由电荷 每个自由电荷的电量为q 定向运动的速度为v 在所考查的某一截面前方的一段长为v t 截面积为S的柱体的自由电荷经过 t时间 便全部通过所考查的截面 这柱体的体积为Sv t 其中的自由电荷数为nSv t 故 t时间内通过所考查截面的电量 Q qnSv t 于是通过导线的电流强度 将式 代入 得F BLqnSv 式 中LS为受安培力作用的那段导线的体积 nLS为其中的自由电荷的总数 式 表示F是作用在nLS个自由电荷上的合力 每个自由电荷的电量为q 运动速度为v 于是磁场对每个自由电荷作用力 即f qvB 这就是磁场对一个运动电荷的作用力 即洛伦兹力 其中v应理解为带电粒子相对磁场的运动速度 2 洛伦兹力与安培力的关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 电流是带电粒子定向运动形成的 通电导线在磁场中受到的磁场力 安培力 的作用 揭示了带电粒子在磁场中运动时要受磁场力作用的本质 3 大小关系F安 NF洛 式中的N是导体中的定向运动的电荷数 4 当通电直导线与磁场夹角为 时 所受安培力F安 BILsin 那导线内单个电荷所受洛伦兹力f qvBsin 讨论 当v B时 90 sin 1 所以洛伦兹力f qvB 即运动方向与磁场垂直时 洛伦兹力最大 当v B时 0 洛伦兹力f 0 即运动方向与磁场方向平行时 不受洛伦兹力 二 洛伦兹力的应用1 电视显像管的工作原理 1 构造如图 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 电子受洛伦兹力发生偏转 偏转后的电子打在荧光屏上 使荧光屏发光 3 扫描 偏转区域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 这种现象称为扫描 注意 电子束从最上一行到最下一行扫描一遍叫一场 电视机每秒要进行50场扫描 再有荧光粉的余辉时间 所以我们感到整个荧光屏都在发光 2 地磁场对宇宙射线的阻挡作用从太阳或其他星体上 时刻有大量高能粒子流放出 称为宇宙射线 如果宇宙射线到达地球 将对地球上的生物带来危害 所幸的是由于地磁场的存在 对宇宙射线有一定的阻挡作用 对垂直射向地球表面的射线 赤道上空磁场对其阻碍作用最强 因为此处磁场方向与电荷运动方向垂直 极光就是与太阳发出的宇宙射线及地磁场有关的一种日地空间物理现象 极光是自然界最炫目的奇观之一 是在中低纬度地区很少见的一种日地空间物理现象 由于这种现象常在地球的南北两极附近出现 因而人们称其为极光 极光在靠近极地的天空出现时 巨大而灿烂的弧光照亮夜空 弧光不停地移动 并常常伴有来自空中的噼啪之声 有时 明亮辉煌的光芒形成扇形向上方散射 有时 又一闪一闪地像巨型的探照灯急速地上下翻飞 有时 又像一幅巨大的火帘 摇摇摆摆地从天而降 红 橙 蓝各色火焰上下起伏 蔚为壮观 1988年8月26日前后 黑龙江和内蒙古等地的人们就看到了这种少有的现象 夜空中出现了色彩绚丽的螺旋状光幕 持续了半个小时左右后逐渐消失 典例分析一 用左手定则判断洛伦兹力方向例1 在下图所示的各图中 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洛伦兹力的大小 并标出洛伦兹力的方向 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 故F qvBsin30 方向垂直纸面向里 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 名师点拨 在计算洛伦兹力的大小时 要注意v取与B垂直的分量 洛伦兹力的方向垂直于v与B所决定的平面 巩固练习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 此空间可能有磁场 方向与电子速度平行C 此空间可能有磁场 方向与电子速度垂直D 此空间可能有正交的磁场和电场 它们的方向均与电子速度垂直答案 BD 解析 依据对洛伦兹力的说明可知 当v的方向与磁感应强度B的方向平行时 运动电荷不受洛伦兹力的作用 带电粒子仍然以速度v做匀速直线运动 因此一个电子穿过某一空间而未发生偏转 不能说此空间一定不存在磁场 只能说此空间可能有磁场 方向与电子速度方向平行 或者说此空间可能有正交的磁场和电场 它们的方向均与电子速度方向垂直 导致电子所受合力为零 因此 本题的正确选项为B D 二 洛伦兹力大小的计算例2 质量为0 1g的小物块 带有5 10 4C的电荷量 放在倾角为30 的绝缘光滑斜面上 整个斜面置于0 5T的匀强磁场中 磁场方向如右图所示 物块由静止开始下滑 滑到某一位置时 物块开始离开斜面 设斜面足够长 g取10m s2 问 1 物块带何种电荷 2 物块离开斜面时的速度为多少 3 物块在斜面上滑行的最大距离是多少 解析 本题考查带电粒子在磁场中的受力情况 1 由左手定则可知物块带负电荷 2 当物块离开斜面时 物块对斜面的压力FN 0 物块受力分析如右图所示 则有F mgcos30 即qvB mgcos30 解得v 3 46m s 3 由动能定理得mgsin30 L 解得物块在斜面上滑行的最大距离L 1 2m 答案 1 负电荷 2 3 46m s 3 1 2m名师点拨 计算洛伦兹力时要注意公式中的 是v与B的夹角 判断洛伦兹力方向时要熟练应用左手定则 巩固练习2 一初速度为零的质子 质量m 1 67 10 27kg 电荷量q 1 6 10 19C 经过电压为1880V的电场加速后 垂直进入磁感应强度为5 0 10 4T的匀强磁场中 质子所受洛伦兹力为多大 解析 在加速电场中 由动能定理得质子获得的速度 质子受到的洛伦兹力 F Bqv 4 8 10 17N 答案 4 8 10 17N 三 带电粒子在复合场中的运动例3 如图所示 套在很长的绝缘直棒上的小球 其质量为m 带电荷量是 q 小球可在棒上滑动 将此棒竖直放在互相垂直且沿水平方向的匀强电场和匀强磁场中 电场强度是E 磁感应强度是B 小球与棒的动摩擦因数为 求小球由静止沿棒下落的最大加速度和最大速度 解析 此类问题属于涉及加速度的力学问题 必须得用牛顿第二定律解决 小球受力分析如右图所示 根据牛顿第二定律列出方程有mg FN maFN qE qvB 0所以 故知v 0时 a最大 amax g 同样可知 a随v的增大而减小 当a减小到零时v达最大 故mg qvmaxB qE 得vmax 名师点拨 用左手定则判定洛伦兹力方向 1 电荷只要处在电场中就一定受到电场力 即电场力与电荷的运动状态无关 2 只有运动的电荷才受洛伦兹力 由F qvB 当洛伦兹力是变力时 力产生的效果比较复杂 解决此类问题要从受力分析入手 查找临界状态 从而得出正确结果 巩固练习3 在相互垂直的匀强电场和匀强磁场中 有一倾角为 足够长的光滑绝缘斜面 磁感应强度为B 方向垂直纸面向外 电场方向竖直向上 有一质量m 带电荷量为 q的小球静止在斜面顶端 这时小球对斜面的正压力恰好为零 如图所示 若迅速把电场方向反转为竖直向下 小球能在斜面上连续滑行多远 所用时间是多少 解析 电场反转前 mg qE 电场反转后 小球先沿斜面向下做匀加速直线运动 到对斜面压力减为零时开始离开斜面 此时有 qvB mg qE cos 小球在斜面上滑行距离为 a 2gsin 联立 得s 所用时间为 课后巩固提升巩固基础1 下列说法中正确的是 A 运动电荷不受洛伦兹力的地方一定没有磁场B 运动电荷受的洛伦兹力方向既与其运动方向垂直 又与磁感线