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1、 2022年高中物理人教版選修3-1 第三章第五節(jié) 磁場對運動電荷的作用力 教案1 三維目標 知識與技能 1．知道什么是洛倫茲力； 2．利用左手定則判斷洛倫茲力的方向； 3．知道洛倫茲力大小的推理過程； 4．掌握垂直進入磁場方向的帶電粒子所受洛倫茲力大小的計算； 5．理解洛倫茲力對電荷不做功； 6．了解電視機顯像管的工作原理。 過程與方法 通過洛倫茲力大小的推導過程進一步培養(yǎng)學生的分析推理能力。 情感態(tài)度與價值觀 讓學生認真體會科學研究最基本的思維方法：“推理──假設──實驗驗證”。 引導學生進一步學會觀察、分析、推理，培養(yǎng)學生的科學思維和研究方法。 教學重點

2、 1．利用左手定則會判斷洛倫茲力的方向； 2。掌握垂直進入磁場方向的帶電粒子，受到洛倫茲力大小的計算。 教學難點 1．洛倫茲力方向的判斷； 2．理解洛倫茲力對運動電荷不做功。 教學方法 實驗觀察法、講述法、分析推理法。 教學用具 電子射線管、高壓電源、磁鐵、投影儀、投影片。 教學過程 ［新課導入］ 電荷的定向移動形成電流，磁場對電流有力的作用，磁場對電流作用的安培力方向用左手定則來判斷。 磁場對電流有力的作用，電流是由電荷的定向移動形成的，我們會想到：這個力可能是作用在運動電荷上的，而安培力是作用在運動電荷上的力的宏觀表現(xiàn)。 電視顯像管中的電子只是細細的束，為什么能使

3、整個屏幕發(fā)光？從宇宙深處射來的帶電粒子為什么只在地球的兩極引起極光？……解開這些問題的鑰匙，就是磁場對運動電荷作用的規(guī)律。 【演示】 觀察陰極射線在磁場中的偏轉(zhuǎn) 如圖所示，玻璃管已經(jīng)抽成真空。當左右兩個電極按圖示的極性連接到高壓電源時，陰極會發(fā)射電子。電子在電場的加速下飛向陽極。擋板上有一個扁平的狹縫，電子飛過擋板后形成一個扁平的電子束。長條形的熒光板在陽極端稍稍傾向軸線，電子束掠射到熒光板上，顯示出電子束的徑跡。 沒有磁場時電子束是一條直線。用一個蹄形磁鐵在電子束的路徑上加磁場，嘗試不同方向的磁場對電子束徑跡的不同影響，從而判斷運動的電子在各種方向的磁場中的受力方向。 我們曾經(jīng)用左

4、手定則判定安培力的方向。能不能用類似的方法判定運動電子（電子束）的受力方向？如果運動的電荷不是電子，而是帶正電的粒子呢？ 實驗并觀察實驗現(xiàn)象。 結(jié)果：在沒有外磁場時，電子束沿直線運動，將蹄形磁鐵靠近陰極射線管，發(fā)現(xiàn)電子束運動軌跡發(fā)生了彎曲。說明磁場對運動電荷有作用力。 本節(jié)課我們就一起來學習磁場對運動電荷的作用。 ［新課教學］ 一、洛倫茲力的方向和大小 1．洛倫茲力 運動電荷在磁場中所受的力稱為洛倫茲力。 通電導線在磁場中所受安培力實際是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。我們用安培定則判斷安培力的方向，因此也可以用安培定則判斷洛倫茲力的方向。 2．洛倫茲力的方向 左手定則：伸開左手，使拇

5、指與其余四個手指垂直，并且都和手掌在一個平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進入，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的正電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向。 如果運動的是負電荷，則四指指向負電荷運動的反方向，那么拇指所指的方向就是負電荷所受洛倫茲力的方向。 洛倫茲力方向與電荷的電性及電荷的運動方向有關，同一電荷在同一位置受力方向也不一定相同。在相同情況下，負電荷的受力方向與正電荷的受力方向相反。 實驗事實證明以上推斷是正確的。 【思考與討論】 B、v、F三者方向間的相互關系。 如圖所示，B與v可以垂直，可以不垂直。F總垂直于B與v所在的平面。 【鞏

6、固練習】 試判斷下圖中所示的帶電粒子剛進入磁場時所受的洛倫茲力的方向. 甲中正電荷所受的洛倫茲力方向向上；乙中正電荷所受的洛倫茲力方向向下；丙中正電荷所受的洛倫茲力方向垂直于紙面指向讀者；丁中正電荷所受的洛倫茲力的方向垂直于紙面指向紙里。 3．洛倫茲力的大小 【思考與討論】 導線中帶電粒子的定向運動形成了電流。電荷定向運動時所受洛倫茲力的合力，表面為導線所受的安培力。按照這個思路，請你嘗試由安培力的表達式導出洛倫茲力的表達式。 這時只討論比較簡單的情況：導線的方向與磁場的方向垂直，安培力的大小可以表示為F＝ILB。這種情況下導線是電荷定向運動的方向也與磁場的方向垂直。 建議你

7、沿以下邏輯線索前進。 1．設導線中每個帶電粒子定向運動的速度都是v，單位體積的粒子數(shù)為n。算出圖中的一段導線中的粒子數(shù)，這就是在時間t內(nèi)通過截面a的粒子數(shù)。如果粒子的電荷量記為q，由此可以算出q與電流I的關系。 2．寫出這段長為L＝vt的導線所受的安培力F安。 3．求出每個粒子所受的力，它等于洛倫茲力F洛。這時，許多中間量，如n、v、S、t等都應不再出現(xiàn)。 推導時仍然可以認為做定向運動的電荷是正電荷，所得結(jié)果具有普通性。 （1）洛倫茲力公式推導 問題：這段導體所受的安培力為多大？ F安＝ILB 問題：電流I的微觀表達式是什么？ I＝nqSv 問題：這段導體中含有多少自由電荷

8、數(shù)？ 這段導體中含有的電荷數(shù)為nLS 問題：每個自由電荷所受的洛倫茲力大小為多大？ 安培力F安可以看作是作用在每個運動上的洛倫茲力F洛的合力，這段導體中含有的自由電荷數(shù)為nLS，所以 F洛＝ （2）洛倫茲力公式 電荷量為q的粒子以速度v運動時，如果速度方向與磁感應強度方向垂直，那么粒子所受的洛倫茲力為 F＝qvB 公式中各量的單位：F為N，q為C，v為m/s，B為T。 問題：若電荷的運動方向不垂直于磁場，電荷受到的洛倫茲力又如何呢？有興趣的同學課下可以探討一下。 由通電導線不垂直于磁場對受到的安培力入手分析： F安＝ILBsinθ，可得 F＝qvBsinθ＝qvB⊥＝q

9、v⊥B 說明： ①θ角為電荷運動方向和磁場方向的夾角； ②θ＝90°時F＝qvB；θ＝0°時F＝0。 ③因為B為矢量，Bsinθ為B在垂直于v方向上的分量；Bcosθ為B沿v方向上的分量。 ④因為v為矢量：F＝qvBsinθ可寫成F＝qBvsinθ。vsinθ理解為v在垂直于B方向上的分量。 【思考與討論】 一下帶電粒子在磁場中運動時，洛倫茲力對帶電粒子是否做功？說明理由。 洛倫茲力的方向垂直于v和B組成的平面即洛倫茲力垂直于速度方向，因此，洛倫茲力只改變速度的方向，不改變速度的大小，所以洛倫茲力對電荷不做功。 4．洛倫茲力的特點 （1）運動的電荷才有可能受到洛倫茲力，靜止

10、的電荷在磁場中不受洛倫茲力； （2）洛侖茲力的大小和方向都與帶電粒子運動狀態(tài)有關； （3）洛侖茲力對運動電荷不做功，不改變電荷運動的速率，只改變電荷的運動方向。 【思考與討論】帶電粒子在磁場和電場中受力有什么區(qū)別呢？ ①電場對靜止或運動的帶電粒子都有電場力的作用，磁場只對運動的帶電粒子有磁場力（洛倫茲力）的作用（條件是v與B不平行）。 ②電場力跟電場強度E的方向相同（正電荷）或相反（負電荷），洛倫茲力跟磁感應強度B的方向垂直。 ③電場力不受粒子運動速度的影響，洛倫茲力則與粒子運動速度有關。 二、電視顯像管的工作原理 電視顯像管應用了電子束磁偏轉(zhuǎn)的道理。 顯像管中有一個陰極，工

11、作時它能發(fā)射電子，熒光屏被電子撞擊就能發(fā)光。可是，很細的一束電子打在熒光屏上只能使一個點發(fā)光，而實際上要使整個熒光屏發(fā)光，這就要靠磁場來使電子束偏轉(zhuǎn)了。 1．顯像管的構(gòu)成 電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈和熒光屏等。 2．顯像管的工作原理 【思考與討論】 從圖中可以看出，沒有磁場時電子束打在熒光屏正中的O點。為使電子束偏轉(zhuǎn)，由安裝在管頸的偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場。 1．如果要使電子束在水平方向偏離中心，打在熒光屏上的A點，偏轉(zhuǎn)磁場應該沿什么方向？ 2．如果要使電子束打在B點，磁場應該沿什么方向？ 3．如果要使電子束打在熒光屏上的位置由B點逐漸向A點移動，偏轉(zhuǎn)磁場應該怎樣變化？ 引導學生閱讀教材相

12、關內(nèi)容，進一步了解顯像管的工作過程，思考并回答問題。 要是電子打在A點，偏轉(zhuǎn)磁場應該垂直紙面向外；要是電子打在B點，偏轉(zhuǎn)磁場應該垂直紙面向里；要是電子打從A點向B點逐漸移動，偏轉(zhuǎn)磁場應該先垂直紙面向外并逐漸減小，然后垂直紙面向里并逐漸增大。 實際上，在偏轉(zhuǎn)區(qū)的水平方向和豎直方向都有偏轉(zhuǎn)磁場，其方向、強弱都在不斷變化，因此電子束打在熒光屏上的光點就像右圖那樣不斷移動，這在電視技術中叫做掃描。電子束從最上一行到最下一行掃描叫做一場，電視機中每秒要進行50場掃描，所以我們感到整個熒光屏都在發(fā)光。 使電子束偏轉(zhuǎn)的磁場是由兩對線圈產(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)線圈做成馬鞍形，如下圖。 ［小結(jié)］ 本節(jié)課我們主要學習了 1．洛倫茲力的定義，即磁場對運動電荷的作用； 2．用左手定則判斷洛倫茲力的方向； 3．在安培力的基礎上推導洛倫茲力的計算公式； 4．了解了洛倫茲力對運動電荷不做功等特點； 5．學習了電視顯像管的工作原理。 ［布置作業(yè)］ 教材第98頁“問題與練習”。 結(jié)合“問題與練習”，介紹速度選擇器、磁流體發(fā)電、霍爾效應、電磁流量計的原理。