四、磁场对运动电荷的作用

1、第四节 磁场对运动电荷的作用（例题可更根据自己所带班级具体情况进行选择、变更或添加）教学目标一、知识目标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.知道洛伦兹力大小的推理过程.4.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.5.了解v和B垂直时的洛伦兹力大小及方向判断.6.理解洛伦兹力对电荷不做功.二、能力目标通过洛伦兹力大小的推导过程进一步培养学生的分析推理能力.三、德育目标让学生认真体会科学研究最基本的思维方法:“推理假设实验验证”.教学重点1.利用左手定则会判断洛伦兹力的方向.2.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.教学难点1.洛伦兹

2、力对带电粒子不做功.2.洛伦兹力方向的判断.教学方法讲述法、分析推理法、讲练法教学过程一、引入新课复习提问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学生上黑板做，解答如下：若已知上图中：B=4.0×10-2 T，导线长L=10 cm，I=1 A.求：导线所受的安培力大小？学生解答已知：B=4×10-2 T I=1 A L=10 cm=0.1 m求F.解：F=BIL=4×10-2 T×1 A×0.1 m=4×10-3 N答：导线受的安培力大小为4×10-3 N.2.什么是电流？电荷的定向移动形

3、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，我们会想到：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.演示实验观察磁场是否对运动电荷有作用.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.实验结果在没有外磁场时，电子束沿直线运动，将蹄形磁铁靠近电子射线管，发现电子束运动轨迹发生了弯曲.引导学生分析得出结论磁场对运动电荷有作用.二、新课教学第四节 磁场对运动电荷的作用（一）洛伦兹力：运动电荷在磁场中受到的作用力.通电导线在磁场中所受安培力是洛伦兹力的宏观

4、表现.运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用，那么洛伦兹力的方向如何判断呢？问题如图1.判定安培力方向.2.电流方向和电荷运动方向的关系.3.F安的方向和洛伦兹力方向关系.4.电荷运动方向、磁场方向、洛伦兹力方向的关系.答1.上图甲中安培力方向为垂直电流方向向上，乙图安培力方向为垂直电流方向向下.2.电流方向和正电荷运动方向相同，和负电荷运动方向相反.3.F安的方向和正电荷所受的洛伦兹力的方向相同，和负电荷所受的洛伦兹力的方向相反.4.学生分析总结.（二）洛伦兹力方向的判断左手定则伸开左手，使大拇指和其余四指垂直且处于同一平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，若四指指向正电荷运动的方向，那

5、么拇指所受的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向；若四指指向是电荷运动的反方向，那么拇指所指的正方向就是负电荷所受洛伦兹力的方向.练习题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.解答1.甲中正电荷所受的洛伦兹力方向向上.2.乙中正电荷所受的洛伦兹力方向向下.3.丙中正电荷所受的洛伦兹力方向垂直于纸面指向读者.4.丁中正电荷所受的洛伦兹力的方向垂直于纸面指向纸里.（三）洛伦兹力的大小现在我们来研究一下洛伦兹力的大小.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

6、的磁场中.问题这段导体所受的安培力为多大？答F安=BIL问题由第十五章第1节的思考和讨论，电流强度I的微观表达式是多少？答I的微观表达式为I=nqSv问题这段导体中含有多少自由电荷数？答这段导体中含有的电荷数为nLS.问题每个自由电荷所受的洛伦兹力大小为多大？答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,所以投影出示板书f=qvB各量的单位：f为牛（N），q为库伦（C），v为米/秒（m/s）,B为特斯拉（T）适用条件：vB问题若此电子不垂直射入磁场，电子受到的洛伦兹力又如何呢？有兴趣的同学课下探讨，教师不做重点讲解.由通电导线不垂直于磁场对受到的安培

7、力入手分析，F安=BILsin，可得f=qvBsin.说明：（1）角为电荷运动方向和磁场方向的夹角.(2)=90°时f=qvB;=0°时F=0.(3)因为B为矢量Bsin为B在垂直于v方向上的分量.Bcos为B沿v方向上的分量.(4)因为v为矢量：f=qvBsin可写成f=qBvsin.vsin理解为v在垂直于B方向上的分量.f=qvBsin为电荷运动方向与磁场方向的夹角讨论：=90°时，f=qvB=0°时，f=0,v和B在同一直线上，不受洛伦兹力.练习题1.电子的速率v=3×106 m/s，垂直射入B=0.10 T的匀强磁场中，它受到的洛伦兹

8、力是多大？应答f=qvB=1.60×10-19×3×106×0.10=4.8×10-14 N2.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答B.地球表面地磁场方向由南向北，质子是氢原子核带正电，根据左手定则可判定，质子自赤道上空竖直下落过程中受洛伦兹力方向向东.问题让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？说明理由.教师引导学生分析得洛伦兹力的方向垂直于v和B

9、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.洛伦兹力对电荷不做功.问题阅读课文，说明运动电荷在磁场中受洛伦兹力偏转有何现实意义？答运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用，运动方向会发生偏转，这一点对于地球上的生命来说有十分重要的意义.从太阳或其他星体上，时刻都有大量的高能粒子流放出，称为宇宙射线，这些高能粒子流，如果都到达地球，将对地球上的生物带来危害.庆幸的是，地球周围存在地磁场，地磁场改变宇宙射线中带电粒子的运动方向，对宇宙射线起了一定的阻挡作用.教师补充宇宙射线是穿透力极强的辐射线，它们来自宇宙空间，从各个方向射向地球，20

10、世纪初，我们想要获得一个不受辐射影响的实验环境，总是不能如愿，即使深入矿井内部，仍然摆脱不开宇宙射线穿透性辐射的干扰，1912年，奥地利物理学家海斯乘气球升空去探寻这些辐射的来源，他发现，在气球上升过程中，辐射不是减弱而是增强了，后来又发现，两极地区的辐射更为强大，说明它似乎受地球磁场的影响，表明它含有带电粒子（如质子），宇宙射线中的带电粒子在穿越地磁场过程中，受到地磁场对它们的洛伦兹力的作用，运动方向会发生偏转，对宇宙射线有一定的阻挡作用，大大减弱了到达地球表面的宇宙射线.一电荷Q在某一匀强磁场中沿垂直于磁场方向的圆周运动，判断下面几种说法是否正确，并说明理由.A.只要速度的大小相同，所受的

11、洛伦兹力就相同B.如果速度不变，把电荷Q改为-Q，洛伦兹力的方向将反向，但大小不变C.如果速度不变，把B反向，洛伦兹力的方向将反向，但大小不变答A不正确.如果速度的方向变了，所受洛伦兹力的方向也会变.B正确.速度不变，即速度的大小和方向都不变，根据f=qvB可知洛伦兹力的大小不变；因为-Q受力方向和+Q受力方向相反，可见洛伦兹力的方向将反向.C正确.由于速度不变，故F的大小不变；根据左手定则可知，当B反向时，洛伦兹力的方向将反向.三、小结本节课我们主要学习了1.洛伦兹力的定义即磁场对运动电荷的作用.2.用左手定则判断洛伦兹力的方向.3.在安培力的基础上推导洛伦兹力的计算公式.4.洛伦兹力对运动

12、电荷不做功.四、作业1.复习本节课文.2.练习三3.预习 第五节 带电粒子在磁场中的运动 本节优化训练设计（训练题可更根据自己所带班级具体情况进行选择、变更或添加）1.在只受洛伦兹力的条件下，关于带电粒子在匀强磁场中运动，下列说法正确的有_A.只要粒子的速度大小相同，带电量相同，粒子所受洛伦兹力大小就相同B.洛伦兹力只改变带电粒子的运动轨迹C.洛伦兹力始终与速度垂直，所以洛伦兹力不做功D.洛伦兹力始终与速度垂直，所以粒子在运动过程中的动能、动量保持不变2.如图所示，一只阴极射线管，左侧不断有电子射出，若在管的正下方放一通电直导线AB时，发现射线的径迹往下偏，则_A.导线中的电流从A流向BB.导

13、线中的电流从B流向AC.若要使电子束的径迹向上偏，可以通过改变AB中的电流方向来实现D.电子束的径迹与AB中的电流方向无关3.如图，在真空中匀强电场的方向竖直向下，匀强磁场方向垂直于纸面向里，3个油滴a、b、c带有等量同种电荷，其中a静止，b向右匀速运动，c向左匀速运动，比较它们重力的关系，正确的是_A.Ga最大B.Gb最小C.Gc最大D.Gb最大4.如图所示，铜质导电板置于匀强磁场中，通电时铜板中电流方向向下，由于磁场的作用，则_A.板左侧聚集较多电子，使b点电势高于a点B.板左侧聚集较多电子，使a点电势高于b点C.板右侧聚集较多电子，使a点电势高于b点D.板右侧聚集较多电子，使b点电势高于

14、a点5.电子以初速度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变B.磁场对电子的作用力始终不做功C.电子的动量始终不变D.电子的动能始终不变6.一个长螺线管中通有交变电流，把一个带电粒子沿管轴线射入管中，粒子将在管中_不计重力影响.A.做圆周运动B.沿轴线来回运动C.做匀加速直线运动D.做匀速直线运动7.长直导线AB附近有一带电的小球，由绝缘丝线悬挂在M点，当AB中通以如图所示的恒定电流时，下列说法正确的是_A.小球受磁场力作用，方向与导线垂直指向纸里B.小球受磁场力作用，方向与导线垂直指向纸外C.小球受磁场力作用，方向与导线垂直向左D.小球不受磁场力作用8.如图

15、所示，一个带负电的物体从绝缘粗糙斜面顶端滑到底端时的速度为v，若加上个垂直纸面向外的磁场，则滑到底端时_A.v变大B.v变小C.v不变D.不能确定v的变化9.如左下图所示，匀强电场方向水平向右，匀强磁场方向垂直于纸面向里，一质量为m，带电量为q的微粒以速度v与磁场方向垂直，与电场成45°角射入复合场中，恰能做匀速直线运动，求电场强度E的大小，磁感应强度B的大小.10.如右上图所示，一质量为m，带电量为+q的小球静止在光滑的绝缘平面上，并处在磁感应强度为B，方向垂直纸面指向纸内的匀强磁场中，为了使小球能漂离平面，该匀强磁场在纸面移动的最小速度应为多少？方向如何？参考答案：1.解析：带电

16、粒子在匀强磁场中所受的洛伦兹力的大小不但与速度的大小有关，而且与速度的方向有关，当带电粒子的速度方向与磁场方向垂直时，粒子所受的洛伦兹力最大；当粒子的速度方向与磁场方向平行时，带电粒子不受洛伦兹力的作用，速度大小相同的粒子，沿不同方向进入磁场时所受的洛伦兹力的大小不同，所以选项A不正确.由于洛伦兹力的方向始终与速度方向垂直，所以洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小，动能保持不变，洛伦兹力不做功；但在洛伦兹力的作用下，粒子的运动方向要发生变化，动量就要发生变化，所以本题的正确选项应为B、C.答案：BC2.解析：由于AB中通有电流，在阴极射线管中产生磁场，电子受到洛伦兹力的作用而发生偏转，由

17、左手定则可知，阴极射线管中的磁场方向垂直纸面向内，所以根据安培定则，AB中的电流方向应为从B流向A，当AB中的电流方向变为从A流向B，则AB上方的磁场方向变为垂直纸面向外，电子所受的洛伦兹力变为向上，电子束的径迹变为向上偏转，所以本题的正确答案应为B、C.答案：BC3.解析：由a静止可以判定它不受洛伦兹力作用，它所受的重力与电场力平衡，如右图所示，由电场力方向向上可知，a一定带负电，因3个油滴带有同种电荷，所以B、C也一定带等量的负电，所受电场力相同，大小都为F=qE,由于b、c在磁场中做匀速运动，它们还受到洛伦兹力作用，受力如图所示，由平衡条件得Ga=qE Gb=qE-F1 Gc=qE+F2

18、，所以有Gc>Ga>Gb，故B、C正确.答案：BC4.解析：铜板导电是靠自由电子的定向移动，电流方向向下，则电子相对磁场定向移动方向向上，根据左手定则，电子受洛伦兹力方向向右，致使铜板右侧聚集较多电子，左侧剩余较多正离子，板中逐渐形成方向向右的水平电场，直到定向移动的自由电子受到的洛伦兹力与水平电场力平衡为止，所说由于磁场的作用，整个铜板左侧电势高于右侧，即Ua>Ub.答案：C5.解析：力和动量都是矢量，动能是标量，垂直磁场运动的电子受洛伦兹力作用，洛伦兹力方向时刻跟电子速度方向垂直，所以洛伦兹力不做功，这样电子的动能就不变，而电子的速度方向却时刻改变，所以电子的动量一定发生变化，据f=qvB可知，电子受到的洛伦兹力仅是大小保持不变，方向随电子的速度方向而时刻