2017_2018學(xué)年高中物理第5章磁場(chǎng)與回旋加速器學(xué)案（打包6套）滬科版.zip,2017,_2018,學(xué)年,高中物理,磁場(chǎng),回旋加速器,打包,滬科版 5.5　探究洛倫茲力 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.掌握實(shí)驗(yàn)探究洛倫茲力方向的過(guò)程，會(huì)用左手定則判斷洛倫茲力方向的方法．(重點(diǎn)) 2.掌握洛倫茲力的公式，會(huì)計(jì)算洛倫茲力的大?。?重點(diǎn)) 3.理解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，掌握半徑和周期公式．(重點(diǎn)、難點(diǎn)). 洛 倫 茲 力 及 其 方 向、 大 小 1.洛倫茲力 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力． 圖5-5-1 2．左手定則 伸直左手，讓大拇指與四指垂直且在同一平面內(nèi)，四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)方向，讓磁感線穿入手心，大拇指所指的方向就是洛倫茲力的方向，如圖5-5-1所示．對(duì)于負(fù)電荷，四指指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的相反方向． 3．洛倫茲力的大小 (1)推導(dǎo)過(guò)程：長(zhǎng)為L(zhǎng)的導(dǎo)體垂直磁場(chǎng)放置，通入電流為I，受到的安培力F＝BIL，而I＝nqSv，導(dǎo)體中的電荷總數(shù)為N＝nLS，所以每個(gè)電荷受到的磁場(chǎng)力(即洛倫茲力)為f＝＝qvB. (2)公式：f＝qvB. (3)成立條件：速度方向與磁場(chǎng)方向垂直． 1．只要將電荷放入磁場(chǎng)中，電荷就一定受洛倫茲力．(×) 2．洛倫茲力的方向只與磁場(chǎng)方向和電荷運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)．(×) 3．判斷電荷所受洛倫茲力的方向時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮電荷的電性．(√) 電荷在電場(chǎng)中一定受電場(chǎng)力作用，想一想，電荷在磁場(chǎng)中也一定受洛倫茲力作用嗎？ 【提示】　不一定，因?yàn)槿绻姾上鄬?duì)于磁場(chǎng)靜止(v＝0)或電荷的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向平行(v∥B)，電荷在磁場(chǎng)中都不會(huì)受洛倫茲力的作用． 如圖5-5-2所示，正電荷q以速度v進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，速度與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向間的夾角為θ. 圖5-5-2 探討1：電荷q所受的洛倫茲力的方向沿什么方向？ 【提示】　垂直于紙面向里． 探討2：電荷q所受的洛倫茲力是多大？ 【提示】　qvBsin θ. 1．對(duì)洛倫茲力方向的理解 (1)洛倫茲力的方向總是與電荷運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向垂直，即洛倫茲力的方向總是垂直于電荷運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向所決定的平面，F(xiàn)、B、v三者的方向關(guān)系是：F⊥B、F⊥v，但B與v不一定垂直． (2)洛倫茲力的方向隨電荷運(yùn)動(dòng)方向的變化而變化．但無(wú)論怎么變化，洛倫茲力都與運(yùn)動(dòng)方向垂直，故洛倫茲力永不做功，它只改變電荷運(yùn)動(dòng)方向，不改變電荷速度大小． 2．洛倫茲力和安培力的關(guān)系 (1)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． (2)大小關(guān)系：F安＝Nf.(N是導(dǎo)體中定向運(yùn)動(dòng)的電荷數(shù)) (3)方向關(guān)系：洛倫茲力與安培力的方向一致，均可用左手定則進(jìn)行判斷． (4)洛倫茲力永遠(yuǎn)不做功，但安培力可以做功． 3．洛倫茲力與電場(chǎng)力的比較 洛倫茲力 電場(chǎng)力 產(chǎn)生條件 僅在運(yùn)動(dòng)電荷的速度方向與B不平行時(shí)，運(yùn)動(dòng)電荷才受到洛倫茲力 帶電粒子只要處在電場(chǎng)中，一定受到電場(chǎng)力 大小方向 f＝qvBsin θ，方向與B垂直，與v垂直，用左手定則判斷 F＝qE，F(xiàn)的方向與E同向或反向 特點(diǎn) 洛倫茲力永不做功 電場(chǎng)力可做正功、負(fù)功或不做功 相同點(diǎn) 反映了電場(chǎng)和磁場(chǎng)都具有力的性質(zhì) 1．帶電粒子(重力不計(jì))穿過(guò)飽和蒸汽時(shí)，在它走過(guò)的路徑上飽和蒸汽便凝成小液滴，從而顯示了粒子的徑跡，這是云室的原理，如圖5-5-3所示是云室的拍攝照片，云室中加了垂直于照片向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，圖中oa、ob、oc、od是從o點(diǎn)發(fā)出的四種粒子的徑跡，下列說(shuō)法中正確的是(　　) 圖5-5-3 A．四種粒子都帶正電 B．四種粒子都帶負(fù)電 C．打到a、b點(diǎn)的粒子帶正電 D．打到c、d點(diǎn)的粒子帶正電 【解析】　由左手定則知打到a、b點(diǎn)的粒子帶負(fù)電，打到c、d點(diǎn)的粒子帶正電，D正確． 【答案】　D 2．圖中帶電粒子所受洛倫茲力的方向向上的是(　　) 【解析】　A圖中帶電粒子受力方向向上，B圖中帶電粒子受力方向向外，C圖中帶電粒子受力方向向左，D圖中帶電粒子受力方向向外，故A正確． 【答案】　A 3.初速度為v0的電子，沿平行于通電長(zhǎng)直導(dǎo)線的方向射出，直導(dǎo)線中電流方向與電子的初始運(yùn)動(dòng)方向如圖5-5-4所示，則(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：29682032】 圖5-5-4 A．電子將向右偏轉(zhuǎn)，速率不變 B．電子將向左偏轉(zhuǎn)，速率改變 C．電子將向左偏轉(zhuǎn)，速率不變 D．電子將向右偏轉(zhuǎn)，速率改變 【解析】　由右手定則判定直線電流右側(cè)磁場(chǎng)的方向垂直紙面向里，再根據(jù)左手定則判定電子所受洛倫茲力偏離電流，由于洛倫茲力不做功，電子動(dòng)能不變． 【答案】　A 判斷洛倫茲力方向應(yīng)注意的問(wèn)題 (1)注意電荷的正、負(fù)，尤其是判斷負(fù)電荷所受洛倫茲力方向時(shí)，四指應(yīng)指向電荷運(yùn)動(dòng)的反方向． (2)注意洛倫茲力方向一定垂直于B和v所決定的平面． (3)當(dāng)v與B的方向平行時(shí)，電荷所受洛倫茲力為零． 帶 電 粒 子 在 磁 場(chǎng) 中 的 運(yùn) 動(dòng) 1．帶電粒子垂直進(jìn)入磁場(chǎng)，只受洛倫茲力作用，帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力． 2．軌道半徑：由于洛倫茲力提供向心力，即qvB＝m，由此推得r＝. 3．運(yùn)動(dòng)周期：由T＝和r＝，聯(lián)立求得T＝. 1．當(dāng)帶電粒子的速度方向與磁場(chǎng)方向相同時(shí)，粒子做勻加速運(yùn)動(dòng)．(×) 2．帶電粒子速度越大，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑越大．(√) 3．速度越大，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期越大．(×) 　帶電粒子若垂直進(jìn)入非勻強(qiáng)磁場(chǎng)后做半徑不斷變化的運(yùn)動(dòng)，這時(shí)公式r＝是否成立？ 【提示】　成立．在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，隨著B的變化，粒子軌跡的圓心、半徑不斷變化，但粒子運(yùn)動(dòng)到某位置的半徑仍由B、q、v、m決定，仍滿足r＝. 　 質(zhì)量和電量都相等的帶電粒子M和N，以不同的速率經(jīng)小孔S垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，運(yùn)行的半圓軌跡如圖5-5-5中虛線所示． 圖5-5-5 探討1：粒子帶電性質(zhì)是否相同？ 【提示】　由于帶電粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)方向相反，故帶電性質(zhì)不同，向左偏的帶正電，向右偏的帶負(fù)電． 探討2：哪個(gè)帶電粒子的速率較大？ 【提示】　根據(jù)r＝，半徑大的粒子速率大． 1．定圓心 (1)知道磁場(chǎng)中兩點(diǎn)速度方向，則帶電粒子在兩點(diǎn)所受洛倫茲力作用線的交點(diǎn)即為圓心．如圖5-5-6(a)所示． (2)知道磁場(chǎng)中一點(diǎn)速度方向和另一點(diǎn)位置，則該點(diǎn)所受洛倫茲力作用線與這兩點(diǎn)連線的中垂線的交點(diǎn)即為圓心，如圖5-5-6(b)所示． (a)　　　　　　　　　(b) 圖5-5-6 2．求半徑 畫圓弧后，再畫過(guò)入射點(diǎn)、出射點(diǎn)的半徑并作出輔助三角形，最后由幾何知識(shí)求出半徑． 3．求運(yùn)動(dòng)時(shí)間 (1)利用t＝T求．即：先求周期T，再求圓心角θ. (2)圓心角的確定 ①帶電粒子射出磁場(chǎng)的速度方向與射入磁場(chǎng)的速度方向間的夾角φ叫偏向角．偏向角等于圓心角，即α＝φ，如圖5-5-7所示． 圖5-5-7 ②某段圓弧所對(duì)應(yīng)的圓心角是這段圓弧弦切角的二倍，即α＝2θ. 4．電子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．速率越大，周期越大 B．速率越小，周期越大 C．速度方向與磁場(chǎng)方向平行 D．速度方向與磁場(chǎng)方向垂直 【解析】　由粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期公式T＝可知周期的大小與速率無(wú)關(guān)，A、B錯(cuò)誤，粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力，速度方向與磁場(chǎng)方向垂直，C錯(cuò)誤，D正確． 【答案】　D 5．如圖5-5-8所示，水平導(dǎo)線中有電流I通過(guò)，導(dǎo)線正下方的電子初速度的方向與電流I的方向相同，則電子將(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：29682033】 圖5-5-8 A．沿路徑a運(yùn)動(dòng)，軌跡是圓 B．沿路徑a運(yùn)動(dòng)，軌跡半徑越來(lái)越大 C．沿路徑a運(yùn)動(dòng)，軌跡半徑越來(lái)越小 D．沿路徑b運(yùn)動(dòng)，軌跡半徑越來(lái)越小 【解析】　由左手定則可判斷電子運(yùn)動(dòng)軌跡向下彎曲．又由r＝知，B減小，r越來(lái)越大，故電子的徑跡是a.故選B. 【答案】　B 6.如圖5-5-9所示，在xy平面內(nèi)，y≥0的區(qū)域有垂直于xy平面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，一質(zhì)量為m、帶電量大小為q的粒子從原點(diǎn)O沿與x軸正方向成60°角方向以v0射入，粒子的重力不計(jì)，求帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和帶電粒子離開磁場(chǎng)時(shí)的位置． 圖5-5-9 【解析】　當(dāng)帶電粒子帶正電時(shí)，軌跡如圖中OAC， 對(duì)粒子，由于洛倫茲力提供向心力，則 qv0B＝m，R＝， T＝ 故粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t1＝T＝ 粒子在C點(diǎn)離開磁場(chǎng)OC＝2R·sin60°＝ 故離開磁場(chǎng)的位置為(－，0) 當(dāng)帶電粒子帶負(fù)電時(shí)，軌跡如圖中ODE所示，同理求得粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t2＝T＝ 離開磁場(chǎng)時(shí)的位置為(，0) 【答案】　　(－，0)或　(，0) 帶電粒子在有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的解題技巧 (1)畫軌跡：先定圓心，再畫完整圓弧，后補(bǔ)畫磁場(chǎng)邊界最后確定粒子在磁場(chǎng)中的軌跡(部分圓弧). (2)找聯(lián)系：r與B、v有關(guān)，如果題目要求計(jì)算速率v，一般要先計(jì)算r、t與角度和周期T有關(guān)，如果題目要求計(jì)算粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t，一般要先計(jì)算粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的部分圓弧所對(duì)應(yīng)的圓心角和粒子的周期. (3)用規(guī)律：根據(jù)幾何關(guān)系求半徑和圓心角，再根據(jù)半徑和周期公式與B、v等聯(lián)系在一起. 8