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1、2022年高中物理選修新課標人教版選修3-1第三章3 5 運動電荷在磁場中受到的力 學案 【學習目標】 1、知道什么是洛倫茲力。 2、利用左手定則會判斷洛倫茲力的方向，理解洛倫茲力對電荷不做功。 3、掌握洛倫茲力大小的推理過程和掌握洛倫茲力大小的計算。 4、了解電視機顯像管的工作原理。 【學習重點和難點】 1、利用左手定則會判斷洛倫茲力的方向和洛倫茲力大小計算公式的推導和應(yīng)用。 2、洛倫茲力對帶電粒子不做功. 【自主學習】 一、洛倫茲力的方向和大小 1．演示實驗： 陰極射線管發(fā)出的電子束，如上圖甲中的徑跡是 把電子射線管放在蹄形磁鐵的磁場中，如圖乙中電子束的

2、徑跡 ，若調(diào)換磁鐵南北極的位置，則電子束的徑跡會 2．洛倫茲力 (1)定義： 在磁場中所受的力． (2)與安培力的關(guān)系：通電導線在磁場中所受的安培力是洛倫茲力的 ，而洛倫茲力是安培力的微觀本質(zhì)． 3．洛倫茲力的方向 (1)左手定則： 伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi)．讓 從掌心進入，并使四指指向 ，這時拇指所指的方向就是運動的正電荷在磁場中所受 的方向． (2)特點：洛倫茲力的方向與電荷運動方向和磁場方向都 ，洛倫茲力只改變帶電粒子的運動方向，不改變速度大小，對電荷不做功． 4．洛倫茲力的大小 (

3、1)當 時，F(xiàn)＝qvB. (2)當 時，F(xiàn)＝0. 二、電視顯像管的工作原理 1．電視顯像管應(yīng)用了電子束 的原理． 2．電子束打在熒光屏上的位置在偏轉(zhuǎn)磁場的控制下一行一行的不斷移動，這在電視技術(shù)中叫做 . 【合作探究】 1、怎樣判斷洛倫茲力的方向？ 【針對性練習】 判斷圖中帶電粒子所受洛倫茲力的方向 2、洛倫茲力能對電荷做功嗎？ 3、洛倫茲力的大小推導 假設(shè)：設(shè)有一段長度為L的通電導線，橫截面積為S，導線每單位體積中含有的自由電荷數(shù)為n，每個自由電荷的電量為q，定向移動的平均速率為v，將這段導線垂直于磁場方向放入磁感應(yīng)強度為

4、B的磁場中。 問題1：這段導線中電流I的微觀表達式是多少？I= 問題2：這段導體所受的安培力為多大？F= 問題3：這段導體中含有多少自由電荷數(shù)？N= 問題4：每個自由電荷所受的洛倫茲力大小為多少？f= 4、若帶電粒子不垂直射入磁場,電子受到的洛倫茲力又如何呢? 5．電視機顯像管中應(yīng)用了哪些物理原理？ 【精講

5、點撥】 1．對洛倫茲力的進一步理解 (1)洛倫茲力的方向 ①決定洛倫茲力方向的因素有三個：電荷的電性(正、負)、速度方向、磁感應(yīng)強度的方向． ②在研究電荷的運動方向與磁場方向垂直的情況時，由左手定則可知，F(xiàn)洛⊥B，F(xiàn)洛⊥v即F洛垂直于B和v兩者決定的平面． (1)公式F＝qvB中的v是帶電粒子相對于磁場的運動速度． (2)判斷負電荷在磁場中運動所受洛倫茲力的方向，四個手指要伸向負電荷運動的相反方向． (3)電荷運動的方向v和磁場的方向B不一定垂直，但洛倫茲力一定垂直于磁感應(yīng)強度B和速度v的方向． (2)洛倫茲力與安培力的關(guān)系 ①洛倫茲力是單個運動電荷在磁場中受到的力，而安培力

6、是導體中所有定向移動的自由電荷受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)． ②盡管安培力是自由電荷定向移動時受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，但也不能認為安培力就簡單地等于所有定向移動電荷所受洛倫茲力的和，一般只有當導體靜止時才能這樣認為． ③洛倫茲力恒不做功，但安培力卻可以做功． 可見安培力與洛倫茲力既有緊密相關(guān)、不可分割的必然聯(lián)系，也有顯著的區(qū)別． 2．洛倫茲力與電場力的比較 洛倫茲力 電場力 性質(zhì) 洛倫茲力是磁場對運動電荷的作用力 電場力是電場對電荷的作用力 產(chǎn)生 條件 磁場中靜止電荷、沿磁場方向運動的電荷不受洛倫茲力 電場中的電荷無論靜止、還是沿任何方向運動都要受到電場力 方向

7、 (1)方向由電荷的正負、磁場的方向以及電荷的運動方向決定，方向之間的關(guān)系遵循左手定則 (2)洛倫茲力方向一定垂直于磁場方向以及電荷運動方向(電荷運動方向與磁場方向不一定垂直) (1)方向由電荷的正負、電場的方向決定 (2)正電荷受力方向與電場方向一致，負電荷受力方向與電場方向相反 大小 F＝qvB(v⊥B) F＝qE 作用 效果 洛倫茲力只改變電荷運動速度的方向，不能改變速度的大小 電場力既可以改變電荷運動的速度方向又可以改變電荷運動速度的大小 做功 情況 洛倫茲力一定不做功 電場力可以不做功，也可以做功 3．洛倫茲力在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用 （1）速度選擇器 ①

8、原理：帶電粒子不偏轉(zhuǎn)時qvB=qE，有v=E/B。 ②特點a．速度選擇器只選擇速度(大小、方向)而不選擇粒子的質(zhì)量和電荷量．如上圖中若從右側(cè)入射則不能穿出場區(qū)． b．速度選擇器B、E、v三個物理量的大小、方向互相約束，以保證粒子受到的電場力和洛倫茲力等大、反向．如圖中只改變磁場B的方向，粒子將向下偏轉(zhuǎn)． (2)磁流體發(fā)電機 目前世界上正在研究的一種新型發(fā)電機叫磁流體發(fā)電機，它可以把氣體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能，如右圖表示出了它的發(fā)電原理：將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和帶負電的微粒．而從整體上來說是呈電中性)噴射入磁場，磁場中有兩塊金屬板A、B，則高速射入的離子在洛倫茲

9、力的作用下向A、B兩板聚集，使兩板間產(chǎn)生電勢差，若平行金屬板間距為d，勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B，等離子體流速為v，氣體從一側(cè)面垂直磁場射入板間，不計氣體電阻，外電路電阻為R，則兩板間最大電壓和可能達到的最大電流為多少？ 【典例剖析】 例1、以下說法中，正確的是(　　) A．電荷處于磁場中一定受到洛倫茲力 B．運動電荷在磁場中一定受到洛倫茲力 C．洛倫茲力對運動電荷一定不做功 D．洛倫茲力可改變運動電荷的速度 【跟蹤發(fā)散】一初速度為零的質(zhì)子(質(zhì)量m＝1.67×10－27 kg，電荷量q＝1.6×10－19 C)，經(jīng)過電壓為1 880 V的電場加速后，垂直進入磁感應(yīng)強

10、度為5.0×10－4 T的勻強磁場中，質(zhì)子所受洛倫茲力多大？ 例2、如圖所示，擺球帶負電的單擺，在一勻強磁場中擺動，勻強磁場的方向垂直紙面向里，擺球在A、B間擺動過程中，由A擺到最低點C時，擺線拉力大小為F1，擺球加速度大小為a1；由B擺到最低點C時，擺線拉力的大小為F2，擺球加速度大小為a2，則(　　) A．F1＞F2，a1＝a2　B．F1＜F2，a1＝a2 C．F1＞F2，a1＞a2 D．F1＜F2，a1＜a2 【跟蹤發(fā)散】質(zhì)量為0.1 g的小物塊，帶有5×10－4C的電荷量，放在傾角為30°的絕緣光滑斜面上，整個斜面置于0.5 T的勻強磁場中，磁場方向如圖所示，物塊由

11、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＝10 m/s2)問：(1)物塊帶電性質(zhì)？(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？ 例3、如右圖所示，質(zhì)量為m的帶正電的小球能沿豎直的絕緣墻豎直下滑，磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場方向水平，并與小球運動方向垂直．若小球電荷量為q，球與墻間的動摩擦因數(shù)為μ，則小球下滑的最大速度為_______，最大加速度為_______． 【跟蹤發(fā)散】一個帶正電的微粒(重力不計)穿過如右圖所示的勻強磁場和勻強電場區(qū)域時，恰能沿直線運動，則欲使電荷向下偏轉(zhuǎn)時應(yīng)采用的辦法是(　　) A．增大電荷質(zhì)量 B．

12、增大電荷電荷量 C．減小入射速度 D．增大磁感應(yīng)強度 【鞏固拓展訓練】 1．如圖所示是磁感應(yīng)強度B、正電荷速度v和磁場對電荷的作用力F三者方向的相互關(guān)系圖(其中B垂直于F與v決定的平面，B、F、v兩兩垂直)．其中正確的是(　　) 2．下列說法中正確的是(　　) A．運動電荷在磁感應(yīng)強度不為零的地方，一定受到洛倫茲力的作用 B．運動電荷在某處不受洛倫茲力作用，則該處的磁感應(yīng)強度一定為零 C．洛倫茲力既不能改變帶電粒子的動能，也不能改變帶電粒子的速度 D．洛倫茲力對帶電粒子不做功 3．如上圖所示，在真空中，水平導線中有恒定電流I通過，導線的正下方有一質(zhì)子初速度方向與電流方向

13、相同，則質(zhì)子可能的運動情況是(　　) A．沿路徑a運動　 B．沿路徑b運動 C．沿路徑c運動 D．沿路徑d運動 4．如圖所示是電視機顯像管及其偏轉(zhuǎn)線圈的示意圖．電流方向如圖所示，試判斷正對讀者而來的電子束將向哪邊偏轉(zhuǎn)(　) A．向上 B．向下 C．向左 D．向右 5．如右圖為一“濾速器”裝置的示意圖．a(chǎn)、b為水平放置的平行金屬板，一束具有各種不同速率的電子沿水平方向經(jīng)小孔O進入a、b兩板之間．為了選取具有某種特定速率的電子，可在a、b間加上電壓，并沿垂直于紙面的方向加一勻強磁場，使所選電子仍能夠沿水平直線OO′運動，由O′射出．不計重力作用．可能達

14、到上述目的的辦法是(　　) A．使a板電勢高于b板，磁場方向垂直紙面向里 B．使a板電勢低于b板，磁場方向垂直紙面向里 C．使a板電勢高于b板，磁場方向垂直紙面向外 D．使a板電勢低于b板，磁場方向垂直紙面向外 6．帶電油滴以水平速度v0垂直進入磁場，恰做勻速直線運動，如右圖所示，若油滴質(zhì)量為m，磁感應(yīng)強度為B，則下述說法正確的是(　　) A．油滴必帶正電荷，電荷量為2mg/v0B B．油滴必帶負電荷，比荷q/m＝g/v0B C．油滴必帶正電荷，電荷量為mg/v0B D．油滴帶什么電荷都可以，只要滿足q＝mg/v0B 7.如右圖所示，表面

15、粗糙的斜面固定于地面上，并處于方向垂直紙面向外、強度為B的勻強磁場中．質(zhì)量為m、帶電荷量為＋Q的小滑塊從斜面頂端由靜止下滑．在滑塊下滑的過程中，下列判斷正確的是(　　) A．滑塊受到的摩擦力不變 B．滑塊到達地面時的動能與B的大小無關(guān) C．滑塊受到的洛倫茲力方向垂直斜面向下D．B很大時，滑塊可能靜止于斜面上 8．如右圖所示為一速度選擇器，也稱為濾速器的原理圖．K為電子槍，由槍中沿KA方向射出的電子，速度大小不一．當電子通過方向互相垂直的均勻電場和磁場后，只有一定速率的電子能沿直線前進，并通過小孔S.設(shè)產(chǎn)生勻強電場的平行板間的電壓為300 V，間距為5 cm，垂直紙面的勻強磁場的磁感

16、應(yīng)強度為0.06 T，問：(1)磁場的方向應(yīng)該垂直紙面向里還是垂直紙面向外？(2)速度為多大的電子才能通過小孔S? 9．在相互垂直的勻強電場和勻強磁場中，有一傾角為θ、足夠長的光滑絕緣斜面，磁感應(yīng)強度為B，方向垂直紙面向外，電場方向豎直向上．有一質(zhì)量為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『脼榱悖缦聢D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？所用時間是多少？ 10．如圖所示，質(zhì)量為m＝1 kg，電荷量為q＝5×10－2 C的帶正電的小滑塊，從半徑為R＝0.4 m的光滑絕緣圓孤軌道上由靜止自A端滑下．整個裝置處在方向互相垂直的勻強電場與勻強磁場中．已知E＝100 V/m，水平向右；B＝1 T，方向垂直紙面向里．求：(1)滑塊到達C點時的速度；(2)在C點時滑塊對軌道的壓力．(g＝10 m/s2)