高中物理 第三章 磁场 第5节 研究洛伦兹力课件 粤教版选修31.ppt

第五节研究洛伦兹力 1 洛伦兹力 所受磁场的作用力叫洛伦兹力 2 左手定则 伸开左手 让磁感线 手心 四指指向 的方向 或负电荷运动的 拇指所指的方向为电荷所受 的方向 运动电荷 垂直穿过 正电荷运动 反方向 洛伦兹力 3 洛伦兹力的大小 带电量为q的粒子 以速率v进入磁感应强度为b的匀强 磁场中 1 当带电粒子的运动方向与磁场方向平行时 f 2 当带电粒子的运动方向与磁场方向垂直时 f 0 qvb 4 下图所示中 带电粒子所受洛伦兹力方向垂直纸面向外 的是 5 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 电荷量之比为1 2 则两带 电粒子受洛伦兹力之比为 a 2 1 b 1 1 c 1 4 d 1 2 解析 由f qvb直接得出洛伦兹力之比为1 2 c d 知识点1洛伦兹力方向的理解 1 试判断图3 5 1所示的带电粒子刚进入磁场时所受的 洛伦兹力的方向 图3 5 1 答案 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向里 2 如果在磁场中运动的电荷是负电荷 那么负电荷受到的 洛伦兹力方向应怎么判断 答案 仍然遵循左手定则 但四指要指向负电荷运动的反 方向 1 决定洛伦兹力方向的因素有三个 电荷的电性 正 负 速度方向 磁感应强度的方向 当电荷电性一定时 其他两个因素中 如果只让一个因素相反 则洛伦兹力方向必定相反 如果同时让两个因素相反 则洛伦兹力方向将不变 2 由左手定则可知 洛伦兹力的方向既与磁场方向垂直 又与电荷的运动方向垂直 即洛伦兹力垂直于v和b两者所决 定的平面 3 判断负电荷在磁场中运动所受洛伦兹力的方向 四指要 指向负电荷运动的相反方向 也就是电流的方向 4 由于洛伦兹力的方向总是跟运动电荷的速度方向垂直 所以洛伦兹力对运动电荷不做功 洛伦兹力只能改变运动电荷的速度方向 不能改变速度的大小 例1 如图3 5 2所示 在阴极射线管正上方平行放 一通有强电流的长直导线 则阴极射线将 图3 5 2a 向纸内偏b 向纸外偏c 向下偏转d 向上偏转解析 直线电流在阴极射线管位置产生的磁场方向垂直纸面向外 阴极射线带负电 向右运动 由左手定则判断出洛伦兹力的方向向上 射线向上偏转 答案 d 触类旁通 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三者必定均相互垂直b f必定垂直于b v 但b不一定垂直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解析 由左手定则可知 洛伦兹力的方向既与磁场方向垂直 又与电荷的运动方向垂直 即洛伦兹力垂直于v和b两者所决定的平面 但v和b不一定垂直 b对 b 知识点2洛伦兹力大小的理解 1 电子以4 106m s的速率垂直射入磁感应强度为0 5t的匀强磁场中 受到的洛伦兹力为 n 如果电子射入磁场时的速度v与b的方向间的夹角是180 则电子所受的洛伦兹力为 n 3 2 10 13 0 2 一带电粒子以速度v0射入匀强磁场中 粒子能做匀速直线运动吗 有没有可能做匀变速运动 不计粒子重力 答案 若粒子平行于磁场方向射入 粒子不受洛伦兹力作用 将做匀速直线运动 若粒子受洛伦兹力作用 洛伦兹力因与速度方向垂直 使速度的方向不断变化 因此洛伦兹力的方向也在变化 故粒子不可能做匀变速运动 1 洛伦兹力大小的推导 设直导线长l 电流为i 导线中运动电荷数为n 横截面积为s 电荷的电荷量为q 运动速度为v 垂直放入磁感应强度为b的匀强磁场中 安培力f ilb nf洛 导体中的电流i nqsv n为单位体积的电荷数 n nsl 所以f洛 qvb 2 计算公式 1 当v b时 f洛 qvb 2 当v b时 f洛 0 即运动方向与磁场平行时 不受洛 伦兹力 3 当v 0时 f洛 0 即静止电荷不受洛伦兹力 3 洛伦兹力与安培力的关系 1 洛伦兹力是单个运动电荷在磁场中受到的力 而安培力是导体中所有定向移动的自由电荷受到的洛伦兹力的宏观表现 2 尽管安培力是洛伦兹力的宏观表现 但洛伦兹力不做 功 安培力却可以做功 行磁场的分量 v vsin30 f qvbsin30 qvb 方向垂直 例2 在图3 5 3所示的情形中 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 并指出洛伦兹力的方向 图3 5 3 解 1 因v b 所以f qvb 方向与v垂直向左上方 2 v与b的夹角为30 将v分解成垂直磁场的分量和平 纸面向里 3 由于v与b平行 所以不受洛伦兹力 f 0 4 v与b垂直 f qvb 方向与v垂直斜向上 题后反思 1 用左手定则判断洛伦兹力方向时 要特别注意运动电荷的正负 四指应指向正电荷运动的方向 或指向负电荷运动的反方向 2 计算洛伦兹力的大小时 应注意弄清v与磁感应强度b的方向关系 当v b时 洛伦兹力f qvb 当v b时 f 0 当v与b成 角 0 90 时 应将v 或b 进行分解取它们 垂直的分量计算 触类旁通 2 关于电荷在磁场中的受力 下列说法中正确的是 a 静止的电荷一定不受洛伦兹力的作用 运动电荷一定受到洛伦兹力的作用b 洛伦兹力的大小始终满足f qvbc 若电荷穿过某一空间而未发生偏转 不计其他力 则此空间一定不存在磁场d 带电粒子运动方向与磁场平行时 一定不受洛伦兹力的作用解析 因当b v时 f 0 故a b c错 d对 d a 带正电粒子必须沿ab方向从左侧进入 才能沿直线通过b 带负电粒子必须沿ba方向从右侧进入 才能沿直线通过c 不论粒子电性如何 沿ab方向从左侧进入 都能沿直线通过d 不论粒子电性如何 沿ba方向从右图3 5 4侧进入 都能沿直线通过 如果粒子所具有的速率v 不计重力 则 速度选择器 例3 双选 如图3 5 4是粒子速度选择器的原理图 eb 速率v 当正电粒子从左侧进入时 受到的电场力f向下 要粒子的速度v 无论是带正电还是负电 沿ab方向从左 解析 根据速度选择器的原理 要保证粒子直线通过 则 要满足电场力与洛伦兹力大小相等 方向相反 即qe qvb eb 洛伦兹力向上 两力大小相等 方向相反 故可直线通过场区 当负电粒子从左侧进入时 受到的电场力f向上 洛伦兹力向下 两力大小相等 方向相反 故仍可直线通过场区 显然只 eb 侧进入场区都能沿直线通过 当带电粒子从右侧进入时 无论是带正电还是负电 电场力与洛伦兹力都同向 将做曲线运动 答案 ac 关 只要粒子的速度v 若从同一侧带正电粒子能沿直线 题外拓展 1 速度选择器是洛伦兹力与现代科技相联系的一个实际例子 在速度选择器中 带电粒子进入选择区域后 只有当带电粒子所受的电场力与洛伦兹力平衡时 即qvb qe 粒子才能直线穿过 否则就会偏转 2 由于洛伦兹力方向与速度方向垂直 电场力方向与场强在一直线上 要保证粒子沿直线运动不偏转 速度选择器中的匀强磁场与匀强电场必须垂直正交 3 速度选择器选择的是粒子的速度大小 与其他因素无 eb 通过 则带负电粒子也必定能沿直线通过 与粒子带电量多少 电性无关 a 方向竖直向上 b 方向水平向左 触类旁通 3 如图3 5 5所示 空间有磁感应强度为b 方向竖直向上的匀强磁场 一束电子流以初速度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 bv bvc bv 垂直纸面向里d bv 垂直纸面向外 图3 5 5 解析 粒子直线通过 则要满足电场力与洛伦兹力大小相 等 方向相反 即qe qbv e bv a b错 由左手定则得 洛伦兹力垂直纸面向里 电场力f垂直纸面向外 电子带负电 电场力与场强方向相反 故场强垂直纸面向里 答案 c 洛伦兹力与电场力 例4 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 此空间一定不存在电场c 此空间可能只有匀强磁场 方向与电子速度垂直d 此空间可能有相互正交的匀强磁场和匀强电场 解析 电子穿过某一空间而未发生偏转 说明电子可能不受外力 或合外力为零 或外力的方向与速度方向在一直线上 当v b或b 0时 洛伦兹力为零 电子不偏转 a错误 速度v b时 洛伦兹力不为零 且与v垂直 必偏转 c错误 电子在电场中