3-5 磁场对运动电荷的作用力

(共43张PPT)
※ 通过实验，观察阴极射线在磁场中的偏转，认识洛伦兹力．
※※ 会判断洛伦兹力的方向，会计算洛伦兹力的大小．
※ 了解电子束的磁偏转原理以及在科学技术中的应用.
电视机显像管中的电子只是细细的一束，为什么能使整个屏幕发光？从宇宙深处射来的带电粒子，为什么不能直射地球？为什么只在地球两极形成绚丽多彩的极光？……解开这些问题的钥匙就是本节学习的磁场对运动电荷的作用规律．
一、洛伦兹力
1．洛伦兹力： 在磁场中所受的力．
2．洛伦兹力和安培力的关系：通电导线在磁场中受到的安培力，实际上是在导线中 所受到的洛伦兹力的宏观表现．
3．洛伦兹力的大小：
F＝ (θ为电荷运动方向与磁感应强度方向的夹角)
当θ＝0°或180°，即电荷运动方向与磁场方向平行时，f洛＝ .
当θ＝90°，即电荷运动方向和磁场方向垂直时，f洛＝ (为最大值)．
运动电荷
定向运动的电荷
qvBsinθ
0
Bqv
4．洛伦兹力的方向：(用左手定则判)
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个平面内，让 从掌心进入，并使四指指向 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 的方向．负电荷受力的方向与正电荷受力的方向 ．
二、电视显像管的工作原理
电视显像管应用了电子束 的道理．
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 ，因此电子束打在荧光屏上的光点就不断移动，这在电视技术中叫做 ．电子束从最上一行到最下一行扫描一遍叫做一场
使电子束偏转的磁场是由 产生的，叫做偏转线圈．
磁感线
正电荷
洛伦兹力
相反
磁偏转
不断变化
扫描
两对线圈
答案：①左手定则　②总垂直于B、v决定的平面
③F＝qvBsinθ
一、对洛伦兹力的理解
1．大小
①只有运动电荷受洛伦兹力，静止电荷不受洛伦兹力．
②电荷垂直磁场运动时，洛伦兹力最大，平行磁场运动时不受洛伦兹力．
2．方向
①洛伦兹力的方向总是垂直于B和v决定的平面．
②因为洛伦兹力方向总是与速度方向垂直，所以洛伦兹力一个重要特点就是对带电粒子不做功，它只会改变速度的方向而不会改变速度的大小．
二、洛伦兹力与电场力的比较
是带电粒子在两种不同的场中受到的力，反映了磁场和电场的力的性质，但这两种力的区别也是十分明显的.
洛伦兹力 电场力
作用对象 仅在运动电荷的速度方向与B不平行时，运动电荷才受到洛伦兹力 带电粒子只要处在电场中，一定受到电场力
大小、方向 F＝qvBsinθ，方向与B垂直，与v垂直，用左手定则判断 F＝qE，F的方向与E同向或反向
特点 洛伦兹力永不做功 电场力可做正(或负)功
特别提醒：
电荷在电场中不受电场力的位置，电场强度一定为零；运动电荷不受洛伦兹力的位置，磁感应强度不一定为零．
三、速度选择器
1．平行板中电场强度E和磁感应强度B互相垂直，这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器．
2．带电粒子能够匀速沿直线通过速度选择器时的速度是v＝ .(见下图)
特别提醒：
只要带电粒子的速率满足v＝ ，即使电性不同，电荷不同，也可沿直线穿出右侧小孔，而其他速率的粒子要么上偏，要么下偏，无法穿出．因此利用这个装置可以用来选择某一速率的带电粒子，故称为速度选择器．
四、磁流体发电机
1．磁流体发电是一项新兴技术，它可以把内能直接转化为电能．
2．根据左手定则，如下图中的B板是发电机正极．
3．磁流体发电机两极板间的距离为d，等粒子体速度为v，磁场磁感应强度为B，则两极板间能达到的最大电势差U＝Bdv.
误区1：认为通电导体在磁场中一定受到安培力，带电粒子在磁场中一定受到洛伦兹力．
点拨：通过强化练习让学生明确，当通电导体与磁场平行时不受安培力作用；当带电粒子在磁场中静止或平行于磁场方向运动时均不受洛伦兹力作用，这点与电场力不同．
误区2：对洛伦兹力方向的判断不准确．
点拨：决定洛伦兹力方向的因素有三个：电荷的电性(正、负)、速度方向、磁感应强度的方向．当电荷电性一定时，其他两个因素中，如果只让一个因素相反，则洛伦兹力方向必定相反；如果同时让两个因素相反，则洛伦兹力方向将不变．
误区3：对带电物体在复合场中运动是否考虑重力问题把握不准．
点拨：①电子、质子、α粒子、离子等微观粒子无特殊说明一般不计重力，带电小球、尘埃、油滴、液滴等带电颗粒无特殊说明一般要考虑重力．如果有具体数据，可通过比较确定是否考虑重力．
②注意重力、电场力做功与路径无关，洛伦兹力始终和运动方向垂直，永不做功的特点．
误区4：洛伦兹力对电荷永不做功，而安培力对导体棒可以做功．这是否与安培力是洛伦兹力的宏观表现相矛盾．
点拨：不矛盾，因为洛伦兹力方向总是与速度方向垂直，故不做功；而安培力方向总是与电流方向垂直，但不一定与导体的运动方向垂直，故可以做功．
在下图所示的各图中，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．
解析：(1)因v⊥B，所以F＝qvB，方向与v垂直斜向上．
(2)v与B夹角为30°，取v与B垂直分量，
故F＝qvBsin30°＝ qvB，方向垂直纸面向里．
(3)由于v与B平行，所以不受洛伦兹力．
(4)v与B垂直，故F＝qvB，方向与v垂直斜向上．
点评：在计算洛伦兹力的大小时，要注意v取与B垂直的分量．洛伦兹力的方向垂直于v与B所决定的平面．
(2010·陆慕高二检测)在真空中的玻璃管中，封有两个电极，当加上电压后，会从阴极射出一束高速电子流，称为阴极射线．如在阴极射线管的正上方平行放置一根通有强电流的长直导线，其电流方向如图所示，则阴极射线将会 (　　)
A．向上偏斜　
B．向下偏斜
C．向纸内偏斜
D．向纸外偏斜
答案：A
解析：本题考查右、左手定则判断磁场方向和洛伦兹力方向．根据右手定则判定通电导线周围磁场方向下部分向外；根据左手定则判断阴极射线在磁场中受力方向向上．故正确答案为A.
如图所示，在磁感应强度为B的水平匀强磁场中，有一足够长的绝缘细棒OO′在竖直面内垂直于磁场方向放置，细棒与水平面夹角为α.一质量为m、带电荷量为＋q的圆环A套在OO′棒上，圆环与棒间的动摩擦因数为μ，且μ(1)圆环A的最大加速度为多大？
获得最大加速度时的速度为多大？
(2)圆环A能够达到的最大速度为多大？
解析：(1)由于μ根据牛顿第二定律，对圆环A沿棒的方向：
mgsinα－Ff1＝ma
垂直棒的方向：FN1＋qv1B＝mgcosα
所以当Ff1＝0(即FN1＝0)时，a有最大值am，且am＝gsinα
此时qv1B＝mgcosα
(2)设当环A的速度达到最大值vm时，环受杆的弹力为FN2，摩擦力为Ff2＝μFN2.此时应有a＝0，
即mgsinα＝Ff2
在垂直杆方向上：FN2＋mgcosα＝qvmB
点评：该题目是一个动态问题：v→↑F洛↑FN大小及方向变化，要对各过程认真进行受力分析，明确各量的动态变化，才能找出极值条件，顺利求解该题．
质量为m，带电量为q的微粒，以速度v与水平方向成45°角进入匀强电场和匀强磁场同时存在的空间，如图所示，微粒在电场、磁场、重力场的共同作用下做匀速直线运动，求：
(1)电场强度的大小，该带电粒子带何种电荷．
(2)磁感应强度的大小．
解析：(1)微粒做匀速直线运动，所受合力必为零，微粒受重力mg，电场力qE，洛伦兹力qvB，由此可知，微粒带正电，受力如图所示，
目前世界上正在研究新型发电机——磁流体发电机，它的原理图如图所示，设想在相距为d的两平行金属板间加磁感应强度为B的匀强磁场，两板通过开关和灯泡相连．将气体加热电离后，由于正负离子一样多，且带电荷量均为q，因而称为等离子体，将其以速度v喷入甲、乙两板之间，这时甲、乙两板就会聚集电荷，产生电压，这就是磁流体发电机的原理，它可以直接把内能转化为电能，试问：
(1)图中哪个极板是发电机的正极？
(2)发电机的电动势为多大？
(3)设喷入两极板间的离子流每立方米中有n个负电荷，离子流的横截面积为S，则发电机的最大功率为多大？
解析：(1)等离子体从左侧射入磁场，正离子受到向上的洛伦兹力的作用而偏向甲板，使甲板上积累正电荷，相应的乙板上积累负电荷，成为电源的正、负两极，甲板是发电机的正极；
(2)当开关断开时，甲、乙两极间的电压即为电源的电动势，稳定时，甲、乙两板积累的电荷不再增加，此时的等离子体所受的洛伦兹力与电场力恰好平衡，则有＝
qvB，即得电源的电动势为U＝Bdv；
(3)理想状态下，喷入两极板间的离子流全部流向两极板，这时电源达到最大功率．此时，电路中的最大电流为Im＝ .式中N为在t时间内喷入两极板间的正、负离子数的总和，即N＝2nSvt，所以发电机的最大功率为Pm＝UIm＝2ndqSBv2.
答案：(1)甲　(2)Bdv　(3)2ndqSBv2
一种测量血管中血流速度的仪器原理图，如图所示，在动脉血管两侧分别安装电极并加磁场，设血管直径为2mm，磁场的磁感应强感度为0.080T，电压表测出的电压为0.10mV，则血流速度大小为________m/s.
答案：0.63m/s
如图所示，有一质量为m，电荷量为q的带正电的小球停在光滑绝缘平面上，并处于磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，请设计使小球飘离平面的方案．(至少写出两种方案)
有人说“地磁场是地球的盾牌，起着保护地球上生命的作用”．对此观点你是如何理解的？
解析：太阳或其他星体上放射出的宇宙射线中，含有大量的高能带电粒子，这些高能粒子到达地球时，会对地球上的生命体带来危害．正是因为地球周围存在磁场，使得大量粒子被偏转，从而使多数高能粒子偏离了方向，对地球上的生命起到了保护作用．