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1第3节洛伦兹力的应用231．了解电子束的磁偏转原理．2．了解显像管、磁流体发电机和回旋加速器的原理．4一、磁偏转与显像管构造：电子枪和荧光屏两部分．原理(1)显像管包括和两个磁偏转线圈，当电子束通过时将受到洛伦兹力的作用，实现电子束的水平和竖直偏转．(2)用包含图像信息的交变电流控制磁偏转线圈，电子束打到屏幕上的位置反映的就是图像的信息，屏幕上展现的也就是拍摄时的图像．水平竖直5二、磁偏转与磁流体发电机目前世界上正在研究的一种新型发电机叫磁流体发电机，如右图所示表示它的发电原理：将一束等(即高温下电离的气体，含有大量带正电和带负电的微粒，而从整体来说呈中性)喷射入磁场，磁场中有两块金属板A、B，由左手定则，正电粒子向，负电粒子向，金属板上就聚集电荷，产生上负下压下下的电压图3-3-1离子体B板偏转A板偏转6三、磁偏转与回旋加速器主要构造：两个，两个大型电磁铁．工作原理(如图3-3-2所示)(1)磁场作用：带电粒子磁场方向射入磁场时，只在洛伦兹力作用下做运动．(2)交变电压的作用：在两D形盒狭缝间产生周期性变化的，使带电粒子每经过一次狭缝加速一次．(3)交变电压的周期(或频率)：与带电粒子在磁场中做圆周运动的周期(或频率)．图3-3-2D形盒垂直匀速圆周电场相同7用途：加速器是使带电粒子获得高能量的装置，是科学家探究物质奥秘的有力工具．8一、显像管的工作原理磁偏转由于受洛伦兹力的作用，电子束能在磁场中发生偏转，叫做磁偏转．电子束磁偏转是电视机显像管工作的基本原理之一．显像管工作原理(1)显像管工作原理示意如图3-3-3所示图3-3-39(2)加速：显像管中有一个阴极，用低压电源加热时放出电子，经高电压加速后电子束打在荧光屏上，荧光屏就能发光．但一细束电子打在荧光屏上只能使一个点发光，而实际上整个荧光屏发光，这是由磁场作用于电子束的结果．(3)偏转：①使电子束偏转的磁场是由两对线圈产生的，叫做偏转线圈．10②在偏转区的水平方向和竖直方向都加有偏转磁场，其方向、强弱都在不断变化，因此电子束打在荧光屏上的光点就不断来回移动(扫描)．电子束从最上一行到最下一行扫描一遍叫做一场，电视机中每秒要进行50场扫描，所以我们感到整个荧光屏都在发光．11二、磁流体发电机的工作原理磁流体发电就是利用等离子体来发电．石油、煤、可燃气体燃烧时产生高温等离子导电气体，气体中含有正离子、电子和未经电离的中性粒子，正、负电荷的密度几乎相等，从整体来看呈电中性，这种高度电离的气体称为等离子体，也有人称它为“物质的第四态”．12磁流体发电机原理示意图如图3-3-4所示，A，B为平行金属板，板间有垂直方向的匀强磁场．让等离子气体沿平行板高速射入，在洛伦兹力作用下，正、负离子将向B、A板偏转，在两板间产生了电势差，形成了电场，当离子受到的电场力等于洛伦兹力时，离子不再偏转，两极板间形成稳定的电势差U，设离子的速度为v，带电荷量为q，磁感应强度为B，板间距离为d，由F电＝F洛得qE＝qvB，即qUd＝qvB，故U＝Bdv.图3-3-413三、回旋加速器的工作原理回旋加速器的工作原理如图3-3-5所示．放在A0处的粒子源发出一个带正电的粒子，它以某一速度v0垂直进入匀强磁场中，在磁场中做匀速圆周运动．经过半个周期，当它沿着半圆弧到达A1时，我们在A1A1′处设置一个向上的电场，使图3-3-514这个带电粒子在A1A1′处受到一次电场的加速，速率由v0增加到v1，然后粒子以速率v1在磁场中做匀速圆周运动．我们知道，粒子的轨道半径跟它的速率成正比，因而粒子将沿着半径增大了的圆周运动．又经过半个周期，当它沿着半圆弧到达A2′时，我们在A2′A2处设置一个向下的电场，使粒子又一次受到电场的加速，速率增加到v2，如此继续下去，每当粒子运动到电场时，使粒子受到电场的加速，那么，粒子将沿着图示的螺线A0A1A1′A2′A2……回旋下去，速率将一步一步地增大．15【典例1】如图3-3-6所示，没有磁场时电子束打在荧光屏正中的O点．为使电子束偏转，由安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场．图3-3-6显像管的工作原理16(1)如果要使电子束在水平方向偏离中心，打在荧光屏上的A点，偏转磁场应该沿什么方向？(2)如果要使电子束打在B点，磁场应该沿什么方向？解析由左手定则，(1)中偏转磁场应该垂直于纸面向外；(2)中偏转磁场应该垂直于纸面向里．答案见解析17【典例2】1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图3-3-7所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是()A．离子由加速器的中心附近进入加速器B．离子由加速器的边缘进入加速器C．离子从磁场中获得能量回旋加速器图3-3-7D．离子从电场中获得能量18解析离子由加速器的中心附近进入加速器，从电场中获取能量，最后从加速器边缘离开加速器，选项A、D正确．答案AD19【典例3】目前世界上正在研究的一种新型发电机叫磁流体发电机，如图3-3-8所示表示它的发电原理：将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量带正电和带负电的微粒，而从整体来说呈中性)沿如图所示方向喷射入磁场，磁场中有两块金属板A、B，这时两块金属板上就聚集点电荷，在磁极配置如图中所示情况下，下列说法正确的是()A．A板带正电B．有电流从b经用电器流向aC．金属板A、B间的电场方向向上D．等离子体发生偏移的原因是所受洛伦兹力不等于电场力磁流体发电机图3-3-820解析由左手定则可断断B板聚集正离子，A板聚集负离子．因此回路中电流的方向为b－R－a，B正确，A、B板间形成电场的方向向上，故C正确．答案BC21磁偏转1．回旋加速器的工作原理是利用________加速，利用________偏转．回旋加速器的基本用途是________．答案电场磁场获得高能量的粒子222．如图3-3-9所示，若一束电子沿y轴正方向移动，则在z轴上A点的磁场方向应该()图3-3-9A．沿x轴正方向B．沿x轴负方向C．沿z轴正方向D．沿z轴负方向23解析电子沿y轴正方向移动，相当于电流方向沿y轴负方向，根据安培定则可判断在z轴上的A点的磁场方向应该沿x轴负方向，故选项B正确．答案B243．如图3-3-10所示，连接平行金属板P1和P2(板面垂直于纸面)的导线的一部分CD和另一连接电池的回路的一部分GH平行，CD和GH均在纸面内，金属板置于磁场中，磁场方向垂直纸面向里，当一束等离子体射入两金属板之间时，CD段将受到力的作用()图3-3-1025A．等离子体从右方射入时，CD受力方向背离GHB．当等离子体从右方射入时，CD受力方向指向GHC．当等离子体从左方射入时，CD受力方向背离GHD．当等离子体从左方射入时，CD受力方向指向GH答案AD26磁偏转的综合应用4．如图3-3-11所示，为说明电视机显像管偏转线圈作用的示意图．当线圈中通过图示方向的电流时，一束沿中心轴线O自纸内射向纸外的电子流，将()A．向左偏转B．向右偏转C．向上偏转D．向下偏转答案B图3-3-1127安培力作用下的平衡问题1．解决通电导体在磁场中受重力、弹力、摩擦力、安培力等力的作用下的平衡问题，关键是受力分析．2．由于安培力F的方向、电流I的方向、磁感应强度B的方向三者之间涉及三维空间，所以在分析和计算安培力的大小时，要善于把立体图形改画成平面图形，以便受力分析．3．画好辅助图(如斜面)，标明辅助方向(如B的方向、I的方向等)也是画好受力分析图的关键．28【典例】质量为m的通电导体棒ab置于倾角为θ的金属导轨上，如图1所示．已知导体棒与导轨间的动摩擦因数为μ，在下列各图所加各种磁场中，导体均静止，则导体与导轨间摩擦力为零的可能情况是()．图129解析要使静摩擦力为零，如果FN＝0，必有Ff＝0.B选项中安培力的方向竖直向上与重力的方向相反可能使FN＝0.B项是正确的；如果FN≠0，则导体棒除受静摩擦力Ff以外的其他力的合力只要为零，那么Ff＝0.在A选项中，导体棒所受到的重力G、支持力FN及安培力F安三力合力可能为零，则导体棒所受静摩擦力可能为零；C、D选项中，从导体棒所受到的重力G、支持力FN及安培力F安三力的方向分析，合力不可能为零，所以导体所受静摩擦力不可能为零，故正确的选项应为A、B项．答案AB30专题小练1．如图2所示，条形磁铁放在水平桌面上，在其N极的上方固定一根长直导线，导线与磁场垂直．给导线通以垂直纸面向里的电流，则()．A．磁铁对桌面的压力减小，桌面对磁铁无摩擦力作用B．磁铁对桌面的压力增大，桌面对磁铁无摩擦力作用C．磁铁对桌面的压力减小，桌面给磁铁向左的摩擦力D．磁铁对桌面的压力增大，桌面给磁铁向右的摩擦力图231解析本题不要取磁铁作为研究对象，而应取通电导线作为研究对象．因为导线所在处的磁场方向容易判断，安培力的方向易确定，然后再由牛顿第三定律分析磁铁的受力情况．大致画出导线所在处的磁场方向，确定导线的受力方向，如图所示，则磁铁受斜向下的磁场力．可以确定选项D正确．答案D322．一根容易形变的弹性导线，两端固定，导线中通有电流，方向如下图中箭头所示．当没有磁场时，导线呈直线状态；当分别加上方向竖直向上、水平向右或垂直于纸面向外的匀强磁场时，描述导线状态的四个图示中正确的是()．33解析A图中导线不受力，故它不会弯曲，A错误；B图中导线受到垂直纸面向里的安培力，它不会向右弯曲，B错误；C中导线受到水平向右的安培力，导线不会向左弯曲，C错误；D中导线受到水平向右的安培力，故它向右弯曲，D正确．答案D343．电流天平的原理图如图3所示，矩形线圈abcd的bc边悬在匀强磁场中．当给矩形线圈通入如图所示的电流I时，调节两盘中的砝码，使天平平衡．然后使电流I反向，这时要在天平的左盘上加质量为m的砝码，才能使天平重新平衡．则此时磁场对bc边作用力的大小为()．图335A.14mgB.13mgC.12mgD.15mg解析初状态天平平衡时，由左手定则可知，在磁场中的导线bc受到的安培力方向竖直向上，大小设为F，左、右两盘的砝码质量分别设为m1和m2.由平衡条件得：m1g＝m2g－F.电流I反向后，导线bc受到的安培力方向竖直向下，大小仍为F，这时要在天平的左盘上加质量为m的砝码，才能使天平重新平衡．由平衡条件得：m1g＋mg＝m2g＋F.以上两式相减可得：mg＝2F，所以：F＝mg2.答案C36