5.5探究洛伦兹力_演示PPT课件

5 5探究洛伦兹力 1 认识洛伦兹力的概念 会用左手定则判断洛伦兹力的方向 6 认识带电粒子在匀强磁场中仅受洛伦兹力时的运动模型 做部分圆弧运动 有边界 5 体会几何知识在解题中的应用 掌握此类问题的四个要点 定圆心 找半径 用对称 求时间 做完整的圆周运动 3 明确带电粒子在匀强磁场中的圆周运动运动 会用洛伦兹力提供向心力的基本思想进行相关计算 教学目标 2 掌握洛伦兹力大小的计算公式 4 掌握半径公式和周期公式 极光 由于地磁场俘获带电粒子而出现的现象 外层空间射入地磁场中的带电粒子在地磁场力的作用下被 俘获 后 向南北两极 沉降 在两极上空与空气分子发生碰撞后产生辐射从而形成极光 1 定义 运动电荷所受磁场的作用力叫洛伦兹力 2 本质 安培力是导线中所有定向移动电荷所受到的洛伦兹力的宏观表现 一 洛伦兹力的概念 1 实验 探究洛伦兹力的方向 二 洛伦兹力的方向 荷兰物理学家洛伦兹1853 1928 实验 探究洛伦兹力的方向 2 方向 洛伦兹力的方向判断符合左手定则 伸开左手 使大拇指跟其余四指垂直 且处于同一平面内 把手放入磁场中 磁感线垂直穿过手心 四指指向正电荷运动的方向 那么 拇指所指的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向 若是负电荷运动的方向 那么四指应指向其反方向 洛仑兹力F一定和B V决定的平面垂直 洛仑兹力只改变速度的方向而不改变其大小 洛伦兹力永远不做功 洛仑兹力的特点 F v 练习 初速度为v0的电子 沿平行通电直导线的方向射出 直导线中电流方向与电子初始运动方向如图所示 则 A 电子将向右偏转 速度不变B 电子将向左偏转 速率改变C 电子将向左偏转 速率不变D 电子将向右偏转 速度改变 D 四指指向正电荷运动方向即电流方向 或负电荷运动的相反方向 三 洛伦兹力的大小 理论基础 磁场对电流有安培力的作用 电流是由电荷定向运动形成的 可推想磁场对电流的安培力是磁场对运动电荷的作用力的宏观表现 即 1 安培力是洛伦兹力的宏观表现 2 洛伦兹力是安培力的微观本质 F I n 单位体积内的电荷数S 导体截面积V 电荷运动速度q 电荷的电量 L vt S 把安培力看作是大量运动电荷所受洛仑兹力的合力 1 公式推导 2 计算公式 1 v B时 2 v B时 3 v与B成时 例1 已知一质子以5 107m s的速度沿上图所示方向进入磁感应强度B 2T的匀强磁场中 质子受的洛伦兹力为多大 例2 质量为m 带电量为q的带电粒子 以速率v垂直进入如图所示的匀强磁场中 恰好做匀速直线运动 是确定 带电粒子的电性并求磁场的磁感应强度的大小 解 带电粒子洛伦兹力一定是竖直向上 与重力反向 大小等于重力 所以其带正电 所受洛伦兹力大小为 mg qvb 速度一定时 磁感应强度增大 轨迹更加弯曲 磁感应强度一定时 速度增大 轨迹弧度变小 四 带电粒子在磁场中的运动的研究 洛伦兹力演示仪 速度一定时 磁感应强度增大 轨迹更加弯曲 磁感应强度一定时 速度增大 轨迹弧度变小 四 带电粒子在磁场中的运动的研究 问题1 带电粒子在匀强磁场中作圆周运动时向心力由谁提供 问题2 带电粒子在匀强磁场中作圆周运动时的轨道半径如何表示 问题3 带电粒子在匀强磁场中作圆周运动时的运动周期如何表示 洛伦兹力提供向心力 2 带电粒子的轨道半径和周期 洛伦兹力提供向心力 说明 1 半径跟其速率成正比2 周期T与半径r 速率v无关 带电粒垂直匀进入匀强磁场时运动情况分析 1 如图是科学史上一张著名的实验照片 显示的是一个带电粒子在云室中穿过某种金属板运动的径迹 云室放置在匀强磁场中 磁场方向垂直照片向里 云室中横放的金属板对粒子的运动起阻碍作用 分析此径迹可知粒子 A 带正电 由下往上运动B 带正电 由上往下运动C 带负电 由上往下运动D 带负电 由下往上运动 A 解析 由题图可以看出 上方的轨迹半径小 说明粒子的速度小 所以粒子是从下方往上方运动的 再根据左手定则 可以判定粒子带正电 故选A 2 带电量为 q的粒子 在匀强磁场中运动 下面说法正确的是 A 只要速度大小相同 所受的洛伦兹力就相同B 如果把 q改为 q 且速度反向大小不变 则所受的洛伦兹力大小 方向均不变C 只要带电粒子在磁场中运动 就一定受洛伦兹力的作用D 带电粒子受洛伦兹力小 则该磁场的磁感应强度小 B 解析 带电粒子在磁场中所受的洛伦兹力 不但与速度大小有关 还与速度的方向有关 当v与B平行时 不管v B q多大 洛伦兹力总为零 将 q改为 q 且速度等值反向 这时形成的电流方向仍跟原来的方向相同 由左手定则和f qvB可知 洛伦兹力不变 所以 正确选项为B A 解 由右手螺旋定则知 电子束所处位置的磁场方向垂直纸面向外 由左手定则知 电子束将向上偏转 A正确 3 如图所示 电子枪射出的电子束进入示波管 在示波管正下方有竖直放置的通电环形导线 则示波管中的电子束将 A 向上偏转B 向下偏转C 向纸外偏转D 向纸里偏转 4 关于安培力与洛伦兹力的异同 下列说法中正确的是 A 两种力本质上都是磁场对运动电荷的作用力B 洛伦兹力的方向与带电粒子的运动方向有关 安培力的方向与自由电荷定向移动的方向无关C 两种力的方向均可用左手定则判断D 安培力和洛伦兹力都不会做功 AC 解 安培力是洛伦兹力的宏观表现 本质上都是磁场对运动电荷的作用 A选项正确 因自由电荷的运动方向决定了电流的方向 所以安培力的方向与自由电荷定向移动的方向有关 B选项错 两种力的方向都可用左手定则判断 C选项正确 洛伦兹力总是与带电粒子运动方向垂直不做功 但安培力可以对通电导体做功 D选项错 5 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 选A 由左手定则可知A选项正确 由得 B选项错误 洛伦兹力永远不会对M N做功 则C选项错 由及题给条件可知 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 例6 从离子源S产生质量为m 电量为q的正离子 其初速可视为零 离子经过加速电压U加速后从A点垂直进入有界匀强磁场 图中线框所示 并沿着半圆周运动而到达P点 试求A P两点的距离及所用时间 解 A 例7 将倾角为的光滑斜面放到匀强磁场中 磁场方向如图所示 磁感应强度为B 一个质量为m 电荷量为q的小物体在斜面上由静止滑下 滑到某一位置会离开斜面 试确定 1 带电体的电性 2 物体离开斜面是的速度 3 物体在斜面上滑行的长度 答案 1 负电荷 mg 解 1 洛仑兹力垂直斜面向上 故物体带负电 作业 课本家庭作业P1201 2 3题 课时提升作业P121基础巩固训练 五 带电粒子进入有界匀强磁场运动问题处理方法 1 确定圆心 圆心一定在与速度方向垂直的直线上 2 弦的中垂线过圆心 通常有以下两种方法 运动轨迹是圆弧的一部分 涉及的问题主要有 1 圆的切线垂直于过切点的直径 轨道半径的大小 在磁场中运动时间的长短 解题的基本步骤 2 半径的确定和计算 利用平面几何 求圆的可能半径 或圆心角 常用到的两个重要几何特点 1 粒子速度的偏向角 等于圆心角 并等于AB弦与切线的弦切角 的2倍 即 2 相对的弦切角 相等 与相邻的弦切角 互补 即 3 粒子在磁场中运动时间的确定 1 如从同一边界射入的粒子 从同一边界射出时 速度与边界的夹角相等 2 在圆形磁场区域内 沿径向射入的粒子 必沿径向射出 注意圆周运动中的有关对称规律 例1 如图所示 在第 象限内有垂直纸面向里的匀强磁场 一对正 负电子分别以相同速率沿与x轴成30 角的方向从原点射入磁场 则正 负电子在磁场中运动的时间之比为 B 思路画出粒子的运动轨迹 利用圆周运动规律和几何知识求出粒子的比荷 解 圆轨道的圆心位于OA的中垂线上 由几何关系可得 例2 如图所示 在y 0的区域内存在匀强磁场 磁场方向垂直于xOy平面并指向纸面外 磁感应强度为B 一带正电的粒子以速度v0从O点射入磁场 入射方向在xOy平面内 与x轴正向的夹角为 若粒子射出磁场的位置与O点的距离为l 求该粒子的电荷量和质量之比 例3 一束电子 电量为e 以速度V0垂直射入磁感应强度为B 宽为d的匀强磁场中 穿出磁场时速度方向与电子原来入射方向成300角 求 电子的质量和穿过磁场的时间 B v0 e 300 d 解 两洛伦磁力的交点即圆心 由几何知识知 300 4 如图所示 在x轴上方有匀强磁场B 一个质量为m 带电量为 q的的粒子 以速度v从O点射入磁场 角 已知 粒子重力不计 求 1 粒子在磁场中的运动时间 2 粒子离开磁