高二物理运动电荷在磁场中受到的力配套课件新人教版选修

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资源描述

5运动电荷在磁场中受到的力课前预习导学目标导航学习目标重点难点1.能说出洛伦兹力的概念,以及与安培力的关系。2.会用左手定则判定洛伦兹力的方向。3.会计算洛伦兹力的大小,了解电视机的工作原理。重点:洛伦兹力的大小计算和方向判定。难点:左手定则判定洛伦兹力的方向。预习导引1.洛伦兹力(1)定义:磁场对运动电荷的作用力。(2)与安培力的关系:安培力是大量运动电荷受到洛伦兹力的宏观表现。预习交流1太阳发射出的带电粒子以300km/s~1000km/s的速度扫过太阳系,形成“太阳风”(如图所示).这种巨大的辐射经过地球时,为什么不能直射地球?答案:因为地球周围存在着磁场,宇宙空间的带电粒子在经过地球磁场时,由于受到洛伦兹力的作用而发生偏转,故不能直射向地球。2.洛伦兹力的方向用左手定则来判断:伸开左手,使拇指与其余四个手指垂直,并且都与手掌在同一平面内;让磁感线从掌心进入,并使四指指向正电荷运动的方向,这时拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。3.洛伦兹力的大小(1)公式:F=qvBsinθ。式中θ为v与B的夹角。(2)特殊情况①当θ=90°即v⊥B时,F=qvB。②当θ=0,即v∥B时,F=0即v与B平行时,运动电荷不受洛伦兹力。4.洛伦兹力不做功洛伦兹力的方向既垂直于磁场,又垂直于电荷运动的速度,根据做功的条件可以推断:洛伦兹力对运动电荷不做功。5.电视显像管的工作原理电视显像管应用了电子束磁偏转的道理。显像管中有一个阴极,工作时它能发射电子,荧光屏被电子束撞击就能发光。在偏转区的水平方向和竖直方向都有偏转磁场,其方向、强弱都在不断地变化。预习交流2目前,电视机已走进了家家户户,给人们的生活带来了巨大的变化.足不出户便可欣赏到千里之外奥运赛事的精彩直播!电视机正在播放节目时,不能将磁铁靠近荧光屏!你知道这是为什么吗?答案:由于电视机的显像管是利用磁场对电子束偏转原理工作的,如果在电视机正在播放节目时,将磁铁靠近荧光屏,会影响电子束的偏转方向,进而使得图像变形或变色。课堂合作探究问题导学一、洛伦兹力的方向活动与探究11.美丽的极光产生的原因。答案:在地球南北极附近或高纬地区,晚上会看到一种神奇的彩色光带——极光。极光的形成与地磁场有关。由于地球本身是一个大磁体,来自宇宙的射线特别是太阳辐射的带电粒子遇到地磁场发生偏转,最终落到地球两极上空的大气层中,使大气层中的分子电离发光。由于在可见光波段不同元素的分子电离后发出光的颜色不同,所以极光里呈现出美丽的彩色光带。2.电荷放在电场中会受到静电力作用,那么电荷放入磁场中是否一定会受到洛伦兹力的作用?答案:当电荷在磁场中静止或沿着磁场方向运动时,电荷不会受到洛伦兹力作用。只有当电荷运动且运动方向不与磁场平行时,才受洛伦兹力作用。3.在利用左手定则判断带电粒子在磁场中所受到的洛伦兹力的方向时,四指所指的方向是否一定为电荷运动的方向?答案:根据左手定则,四指所指的方向为正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向。4.洛伦兹力的方向与电荷运动方向、磁场方向有何关系?F、B、v三者的方向关系一定互相垂直吗?答案:(1)洛伦兹力的方向总是与电荷运动方向和磁场方向垂直,即洛伦兹力的方向总是垂直于电荷运动方向和磁场方向所决定的平面。(2)F、B、v三者的方向关系是:F⊥B,F⊥v,但B与v不一定垂直。迁移与应用1每时每刻都有大量宇宙射线向地球射来,地磁场可以改变射线中大多数带电粒子的运动方向,使它们不能到达地面,这对地球上的生命有十分重要的意义。假设有一个带正电的宇宙射线粒子正垂直于地面向赤道射来,在地磁场的作用下,它将()A.向东偏转B.向南偏转C.向西偏转D.向北偏转答案:A解析:赤道上地磁场的方向水平向北,当带正电的宇宙射线粒子竖直向下运动时,由左手定则判断其所受的洛伦兹力方向向东,选项A正确。1.洛伦兹力的方向垂直于B、v确定的平面。2.用左手定则判断洛伦兹力的方向和安培力方向的判断方法相同,即有两种方法:(1)对正电荷,四指指向速度方向,对负电荷,四指指向速度的反方向;(2)不论是正电荷,还是负电荷,四指永远指向粒子运动形成的电流的方向。3.由于洛伦兹力的方向总是跟运动电荷的速度方向垂直,所以洛伦兹力对运动电荷不做功,洛伦兹力只能改变电荷速度的方向,不能改变速度的大小。二、洛伦兹力的大小活动与探究21.既然安培力是作用在导线中各自由电子所受洛伦兹力的宏观表现,当在磁场中的导线没有通电时,自由电子也在不停地运动,为什么没有安培力呢?答案:导线不通电时,电荷只有无规则的热运动,而无定向运动,由于向各方向运动的电荷几率相等,磁场对每个运动电荷的洛伦兹力叠加的宏观效果为零。2.电荷在某一区域不受洛伦兹力,是否能说明该处没有磁场?答案:不能。因为静止的电荷在磁场中不受洛伦兹力;运动的电荷运动方向与磁场方向平行时也不受洛伦兹力。3.如图所示,直导线长为L,电流为I,导线中运动电荷数为n,截面积为S,电荷的电荷量为q,运动速度为v,请推导洛伦兹力的大小。答案:推导如下:安培力F=ILB=nF洛所以洛伦兹力F洛=Fn=ILBn因为I=NqSv(N为单位体积的电荷数)所以F洛=NqSv·LBn=NSLn·qvB,式中n=NSL,故F洛=qvB。迁移与应用2如图所示,匀强磁场的磁感应强度均为B,带电粒子的速率均为v,带电荷量均为q。试求出图中带电粒子所受洛伦兹力的大小,并标出洛伦兹力的方向。答案:见解析解析:图甲中因v⊥B,所以F=qvB,方向与v垂直斜向上。图乙中v与B的夹角为30°,F=qvBsin30°=12qvB,方向垂直纸面向里。图丙中由于v与B平行,所以带电粒子不受洛伦兹力。图丁中因v与B垂直,所以F=qvB,方向与v垂直斜向上。洛伦兹力与电场力的比较洛伦兹力电场力性质磁场对运动电荷的作用力电场对电荷的作用力产生条件在磁场中v≠0且v与B不平行在电场中,与v无关大小F洛=qvBsinθ(θ为B与v的夹角)F电=qE方向F洛⊥B,F洛⊥v,遵循左手定则F电总与E同向或反向,与v方向无关作用效果F洛只改变v的方向不改变v的大小F电既可改变v的方向又可改变v的大小做功情况一定不做功可做正功,可做负功也可以不做功当堂检测1.关于电荷在磁场中的受力,下列说法中正确的是()A.静止的电荷一定不受洛伦兹力的作用,运动电荷一定受洛伦兹力的作用B.洛伦兹力的方向有可能与磁场方向平行C.洛伦兹力的方向一定与带电粒子的运动方向垂直D.带电粒子运动方向与磁场方向平行时,一定不受洛伦兹力的作用答案:CD解析:由F=qvBsinθ。当B∥v时,F=0;当v=0时,F=0,故A错、D对。由左手定则知,F一定垂直于B且垂直于v,故B错、C对。故选C、D。2.关于安培力和洛伦兹力,下面说法中正确的是()A.洛伦兹力和安培力是性质完全不同的两种力B.安培力和洛伦兹力,其本质都是磁场对运动电荷的作用力C.安培力和洛伦兹力,二者是等价的D.安培力对通电导体能做功,但洛伦兹力对运动电荷不能做功答案:BD解析:安培力和洛伦兹力实际上都是磁场对运动电荷的作用力,但二者不是等价的,安培力实际上是洛伦兹力的宏观表现,它可以对通电导体做功,但洛伦兹力不能对运动电荷做功,所以A、C错,B、D对。3.下列各图中,运动电荷的速度方向、磁感应强度方向和电荷的受力方向之间的关系正确的是()答案:B解析:由左手定则可判,选项A错误,B正确。因选项C、D中电荷运动方向平行于磁场,均不受洛伦兹力。因此,C、D均错误。4.一个长直螺线管中通有大小和方向都随时间变化的交变电流,把一个带电粒子沿如图所示的方向沿管轴线射入管中,则粒子将在管中()A.做匀速圆周运动B.沿轴线来回振动C.做匀加速直线运动D.做匀速直线运动答案:D解析:通有交变电流的螺线管内部磁场方向始终与轴线平行,带电粒子沿着平行于磁场方向运动时不受洛伦兹力,所以应做匀速直线运动。5.如图所示,质量为m的带正电小球从静止开始沿竖直的绝缘墙竖直下滑。磁感应强度为B的匀强磁场方向水平垂直纸面向外,并与小球运动方向垂直。若小球电荷量为q,球与墙间的动摩擦因数为μ,则小球下滑的最大速度和最大加速度各多大?答案:mgμqBg解析:带电小球由静止在重力作用下向下做加速直线运动,运动过程中受力分析如图所示。由牛顿第二定律可得:mg-Ff=maFN=F,F=qvB,又Ff=μFN随着v增大,F增大,FN增大,Ff也增大,小球的加速度变小,故v=0时,小球加速度a最大,am=g,a=0时,小球的速度最大,由mg=μ·qvmB得:vm=mgμqB。

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