磁場對運動電荷的作用力課件(人教版選修3-1).ppt

第三章磁場第五節(jié)磁場對運動電荷的作用力,人教版選修3-1,課標(biāo)解讀1.通過實驗探究,感受磁場對運動電荷有力的作用.2.知道什么是洛倫茲力,知道運動方向與磁場垂直時洛倫茲力最大,會用左手定則判斷洛倫茲力的方向.3.掌握洛倫茲力公式的推導(dǎo)過程,會用公式求洛倫茲力.4.了解電視機(jī)顯像管的基本構(gòu)成和工作原理.,課前自主學(xué)習(xí)一洛倫茲力1.定義:運動電荷在磁場中所受的力.2.與安培力的關(guān)系:通電導(dǎo)線在磁場中所受的安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn),而洛倫茲力是安培力的微觀本質(zhì).,二洛倫茲力的大小和方向1.左手定則:伸開左手,使拇指與其余四指垂直,并且都與手掌在同一平面內(nèi),讓磁感線從掌心進(jìn)入,并使四指指向正電荷運動的方向,這時拇指所指的方向就是運動電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向,負(fù)電荷受力的方向與正電荷受力方向相反.2.特點:洛倫茲力的方向與電荷運動方向和磁場方向都垂直,洛倫茲力只改變帶電粒子的運動方向,不改變速度的大小,對電荷不做功.3.洛倫茲力公式:F=qvBsin,其中為速度方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的夾角.當(dāng)vB時,F=qvB,當(dāng)vB時,F=0.,三電視機(jī)顯像管的工作原理掃描:電視機(jī)顯像管應(yīng)用了電子束磁偏轉(zhuǎn)的原理,使電子束偏轉(zhuǎn)的磁場是由兩個線圈產(chǎn)生的,叫做偏轉(zhuǎn)線圈,為了與顯像管的管頸貼在一起,偏轉(zhuǎn)線圈做成了鞍形.,知識梳理圖,課堂互動探究一洛倫茲力1.洛倫茲力的定義定義:磁場對運動電荷的作用力叫做洛倫茲力.,2.洛倫茲力的方向的判斷方法左手定則安培力的方向根據(jù)左手定則判斷,而安培力是磁場對電流的作用,運動電荷會形成電流,故運動電荷在磁場中也會受到磁場的作用力,方向仍然用左手定則來判斷:張開左手,使大拇指與其余四指垂直且在同一平面內(nèi),讓磁感線穿過手心,讓四指指向正電荷運動方向(即運動電荷所形成等效電流方向),則大拇指所指的方向就是運動電荷所受洛倫茲力的方向,若沿該方向運動的是負(fù)電荷,則所形成等效電流的方向與負(fù)電荷運動方向相反.,2.洛倫茲力的方向的判斷方法左手定則安培力的方向根據(jù)左手定則判斷,而安培力是磁場對電流的作用,運動電荷會形成電流,故運動電荷在磁場中也會受到磁場的作用力,方向仍然用左手定則來判斷:張開左手,使大拇指與其余四指垂直且在同一平面內(nèi),讓磁感線穿過手心,讓四指指向正電荷運動方向(即運動電荷所形成等效電流方向),則大拇指所指的方向就是運動電荷所受洛倫茲力的方向,若沿該方向運動的是負(fù)電荷,則所形成等效電流的方向與負(fù)電荷運動方向相反.,3.洛倫茲力的大小(1)推導(dǎo)洛倫茲力公式令長為L的一段直導(dǎo)線,其中的電流強(qiáng)度為I,處在磁場強(qiáng)度為B的磁場中,導(dǎo)線與磁場垂直,則磁場作用于這段導(dǎo)線上的安培力的大小為:F=BIL.設(shè)此導(dǎo)線的截面積為S,其中每單位體積中有n個自由電荷,每個自由電荷的電量為q,定向運動的速度為v.在所考查的某一截面前方的一段長為vt,截面積為S的柱體的自由電荷經(jīng)過t時間,便全部通過所考查的截面,這柱體的體積為Svt,其中的自由電荷數(shù)為nSvt,故t時間內(nèi)通過所考查截面的電量,Q=qnSvt于是通過導(dǎo)線的電流強(qiáng)度.將式代入,得F=BLqnSv.式中LS為受安培力作用的那段導(dǎo)線的體積,nLS為其中的自由電荷的總數(shù),式表示F是作用在nLS個自由電荷上的合力,每個自由電荷的電量為q,運動速度為v,于是磁場對每個自由電荷作用力,即f=qvB.這就是磁場對一個運動電荷的作用力,即洛倫茲力.其中v應(yīng)理解為帶電粒子相對磁場的運動速度.,(2)洛倫茲力與安培力的關(guān)系安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn),洛倫茲力是安培力的微觀解釋.電流是帶電粒子定向運動形成的,通電導(dǎo)線在磁場中受到的磁場力(安培力)的作用,揭示了帶電粒子在磁場中運動時要受磁場力作用的本質(zhì).(3)大小關(guān)系F安=NF洛.式中的N是導(dǎo)體中的定向運動的電荷數(shù).,(4)當(dāng)通電直導(dǎo)線與磁場夾角為時,所受安培力F安=BILsin,那導(dǎo)線內(nèi)單個電荷所受洛倫茲力f=qvBsin.討論:當(dāng)vB時,=90,sin=1,所以洛倫茲力f=qvB,即運動方向與磁場垂直時,洛倫茲力最大.當(dāng)vB時,=0,洛倫茲力f=0,即運動方向與磁場方向平行時,不受洛倫茲力.,二洛倫茲力的應(yīng)用1.電視顯像管的工作原理(1)構(gòu)造如圖,(2)原理:陰極發(fā)射電子經(jīng)過偏轉(zhuǎn)線圈,偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的磁場和電子運動方向垂直,電子受洛倫茲力發(fā)生偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)后的電子打在熒光屏上,使熒光屏發(fā)光.(3)掃描:偏轉(zhuǎn)區(qū)域的水平方向和豎直方向都加有偏轉(zhuǎn)磁場,其方向強(qiáng)弱都在不斷變化,這種現(xiàn)象稱為掃描.注意:電子束從最上一行到最下一行掃描一遍叫一場,電視機(jī)每秒要進(jìn)行50場掃描,再有熒光粉的余輝時間,所以我們感到整個熒光屏都在發(fā)光.,2.地磁場對宇宙射線的阻擋作用從太陽或其他星體上,時刻有大量高能粒子流放出,稱為宇宙射線.如果宇宙射線到達(dá)地球,將對地球上的生物帶來危害.所幸的是由于地磁場的存在,對宇宙射線有一定的阻擋作用.對垂直射向地球表面的射線,赤道上空磁場對其阻礙作用最強(qiáng),因為此處磁場方向與電荷運動方向垂直.極光就是與太陽發(fā)出的宇宙射線及地磁場有關(guān)的一種日地空間物理現(xiàn)象.極光是自然界最炫目的奇觀之一,是在中低緯度地區(qū)很少見的一種日地空間物理現(xiàn)象.由于這種現(xiàn)象常在地球的南北兩極附近出現(xiàn),因而人們稱其為極光.,極光在靠近極地的天空出現(xiàn)時,巨大而燦爛的弧光照亮夜空,弧光不停地移動,并常常伴有來自空中的噼啪之聲.有時,明亮輝煌的光芒形成扇形向上方散射;有時,又一閃一閃地像巨型的探照燈急速地上下翻飛;有時,又像一幅巨大的火簾,搖搖擺擺地從天而降,紅橙藍(lán)各色火焰上下起伏,蔚為壯觀.1988年8月26日前后,黑龍江和內(nèi)蒙古等地的人們就看到了這種少有的現(xiàn)象:夜空中出現(xiàn)了色彩絢麗的螺旋狀光幕,持續(xù)了半個小時左右后逐漸消失.,典例分析一用左手定則判斷洛倫茲力方向例1:在下圖所示的各圖中,勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度均為B,帶電粒子的速率均為v,帶電荷量均為q.試求出圖中帶電粒子所受洛倫茲力的大小,并標(biāo)出洛倫茲力的方向.,解析:(1)因vB,所以F=qvB,方向與v垂直斜向上.(2)v與B夾角為30,取v與B垂直的分量,故F=qvBsin30,方向垂直紙面向里.(3)由于v與B平行,所以不受洛倫茲力.(4)v與B垂直,故F=qvB,方向與v垂直斜向上.,答案:見解析,名師點撥:在計算洛倫茲力的大小時,要注意v取與B垂直的分量.洛倫茲力的方向垂直于v與B所決定的平面.,鞏固練習(xí)1.一個電子穿過某一空間而未發(fā)生偏轉(zhuǎn),則()A.此空間一定不存在磁場B.此空間可能有磁場,方向與電子速度平行C.此空間可能有磁場,方向與電子速度垂直D.此空間可能有正交的磁場和電場,它們的方向均與電子速度垂直答案:BD,解析:依據(jù)對洛倫茲力的說明可知:當(dāng)v的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向平行時,運動電荷不受洛倫茲力的作用,帶電粒子仍然以速度v做勻速直線運動.因此一個電子穿過某一空間而未發(fā)生偏轉(zhuǎn),不能說此空間一定不存在磁場,只能說此空間可能有磁場,方向與電子速度方向平行,或者說此空間可能有正交的磁場和電場,它們的方向均與電子速度方向垂直,導(dǎo)致電子所受合力為零.因此,本題的正確選項為BD.,二洛倫茲力大小的計算例2:質(zhì)量為0.1g的小物塊,帶有510-4C的電荷量,放在傾角為30的絕緣光滑斜面上,整個斜面置于0.5T的勻強(qiáng)磁場中,磁場方向如右圖所示,物塊由靜止開始下滑,滑到某一位置時,物塊開始離開斜面(設(shè)斜面足夠長,g取10m/s2),問:,(1)物塊帶何種電荷?(2)物塊離開斜面時的速度為多少?(3)物塊在斜面上滑行的最大距離是多少?,解析:本題考查帶電粒子在磁場中的受力情況.(1)由左手定則可知物塊帶負(fù)電荷.(2)當(dāng)物塊離開斜面時,物塊對斜面的壓力FN=0,物塊受力分析如右圖所示,則有F=mgcos30;即qvB=mgcos30解得v=3.46m/s.(3)由動能定理得mgsin30L=解得物塊在斜面上滑行的最大距離L=1.2m.,答案:(1)負(fù)電荷(2)3.46m/s(3)1.2m名師點撥:計算洛倫茲力時要注意公式中的是v與B的夾角,判斷洛倫茲力方向時要熟練應(yīng)用左手定則.,鞏固練習(xí)2.一初速度為零的質(zhì)子(質(zhì)量m=1.6710-27kg,電荷量q=1.610-19C),經(jīng)過電壓為1880V的電場加速后,垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為5.010-4T的勻強(qiáng)磁場中,質(zhì)子所受洛倫茲力為多大?,解析:在加速電場中,由動能定理得質(zhì)子獲得的速度:質(zhì)子受到的洛倫茲力:F=Bqv=4.810-17N.,答案:4.810-17N,三帶電粒子在復(fù)合場中的運動例3:如圖所示,套在很長的絕緣直棒上的小球,其質(zhì)量為m,帶電荷量是+q,小球可在棒上滑動,將此棒豎直放在互相垂直且沿水平方向的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場中,電場強(qiáng)度是E,磁感應(yīng)強(qiáng)度是B,小球與棒的動摩擦因數(shù)為,求小球由靜止沿棒下落的最大加速度和最大速度.,解析:此類問題屬于涉及加速度的力學(xué)問題,必須得用牛頓第二定律解決,小球受力分析如右圖所示,根據(jù)牛頓第二定律列出方程有mg-FN=maFN-qE-qvB=0所以,故知v=0時,a最大,amax=g-.同樣可知,a隨v的增大而減小,當(dāng)a減小到零時v達(dá)最大,故mg=(qvmaxB+qE)得vmax=,名師點撥:用左手定則判定洛倫茲力方向.(1)電荷只要處在電場中就一定受到電場力.即電場力與電荷的運動狀態(tài)無關(guān).(2)只有運動的電荷才受洛倫茲力.由F=qvB,當(dāng)洛倫茲力是變力時,力產(chǎn)生的效果比較復(fù)雜.解決此類問題要從受力分析入手,查找臨界狀態(tài),從而得出正確結(jié)果.,鞏固練習(xí)3.在相互垂直的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場中,有一傾角為足夠長的光滑絕緣斜面,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向垂直紙面向外,電場方向豎直向上.有一質(zhì)量m帶電荷量為+q的小球靜止在斜面頂端,這時小球?qū)π泵娴恼龎毫η『脼榱?如圖所示,若迅速把電場方向反轉(zhuǎn)為豎直向下,小球能在斜面上連續(xù)滑行多遠(yuǎn)?所用時間是多少?,解析:電場反轉(zhuǎn)前:mg=qE電場反轉(zhuǎn)后,小球先沿斜面向下做勻加速直線運動,到對斜面壓力減為零時開始離開斜面,此時有:qvB=(mg+qE)cos小球在斜面上滑行距離為:a=2gsin聯(lián)立得s=,所用時間為,課后鞏固提升鞏固基礎(chǔ)1.下列說法中正確的是()A.運動電荷不受洛倫茲力的地方一定沒有磁場B.運動電荷受的洛倫茲力方向既與其運動方向垂直,又與磁感線方向垂直C.帶電荷量為q的電荷,在磁場中運動速度大小不變,則所受洛倫茲力一定不變D.洛倫茲力對運動電荷不做功答案:BD,解析:運動電荷的速度跟磁場平行時,將不受洛倫茲力作用,故A錯誤;由左手定則可知洛倫茲力垂直于速度與磁場所決定的平面,故B正確;洛倫茲力對運動電荷不做功,故電荷速度大小不變,故D選項正確.,2.試判斷下圖中各圖帶電粒子所受洛倫茲力的方向或帶電粒子的帶電性.,答案:a圖:豎直向上,b圖:垂直紙面向外,c圖:負(fù)電荷,d圖:垂直紙面向里,