物理人教版（2019）选择性必修第二册1.2磁场对运动电荷的作用力（共41张ppt）

(共41张PPT)
磁场对运动电荷的作用力
1、判断安培力的方向：
I
I
2、安培力大小的一般计算方法：
F=BILsinθ
F
F
复习
思考：
1、磁场对电流有力的作用，
2、电流是由电荷的定向移动形成的，由此我们是否可以设想这个力其实是作用在电荷上的？
运动电荷在磁场中会受到作用力吗？
I
推理与猜想
演示：阴极射线在磁场中的偏转
1、没有磁场时，接通高压电源可以观察到什么现象。
2、光束实质上是什么？
3、若在电子束的路径上加磁场，可以观察到什么现象？
4、改变磁场的方向，通过观查从而判断运动的电子在各个方向磁场中的受力方向。
【实验现象 】
在没有外磁场时，电子束沿直线运动，将磁铁靠近阴极射线管，发现电子束运动轨迹发生了弯曲。
【实验结论 】
磁场对运动电荷有力的作用。
磁场对运动电荷的作用力叫做
洛伦兹力
洛伦兹
(1853 ~ 1928)
一、洛伦兹力
2. 洛伦兹力与安培力的关系：
1. 定义:实验表明运动电荷在磁场中受到力的作用， 这个力叫做洛仑兹力。
安培力是洛伦兹力的宏观表现；洛伦兹力是安培力的微观本质。
安培力
洛仑兹力
磁场对电流的作用
磁场对运动电荷的作用
宏观表现
宏观表现
洛伦兹力的本质
安培力是洛伦兹力的宏观表现
洛伦兹力是安培力的微观本质
洛伦兹（1853—1928）
洛伦兹是荷兰物理学家、数学家，1853年7月18日生于阿纳姆。洛伦兹创立了经典电子论，提出了洛伦兹变换公式，1902年与其学生塞曼共同获得诺贝尔物理学奖。为纪念洛伦兹的卓著功勋，荷兰政府决定从1945年起，把他的生日定为“洛伦兹节”。
二、洛伦兹力的方向
左手定则：磁感线穿掌心，四指指向 电流的方向，大拇指所指的方向就是安培力的方向。
判断安培力的方向
判断洛伦兹力的方向
正电荷定向移动的方向
左手定则：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；让磁感线从掌心垂直进入，并使四指指向正电荷运动的方向（负电荷运动的反方向），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。
左手定则:
四指的方向
与正电荷运动方向相同与负电荷运动方向相反
磁感线方向
穿掌心
拇指方向
洛伦兹力方向
B
v
F洛
v
B
F
v
f
v
f
v
v
B
v
f
f
垂直纸面向外
试判断下图中的带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的方向
1、可见：以相同速度进入同一磁场的正负电荷受到的洛伦兹力方向相反。
2、安培力方向由左手定则判断。我们知道安培力的方向既垂直于磁场方向，又垂直于电流方向，同样也用左手定则判断洛伦兹力f的方向也既垂直于磁场B的方向又垂直于电荷运动速度v的方向
练一练：
练习：试判断这时粒子所受洛伦兹力的方向
× × ×
× × ×
× × ×
+
× × ×
× × ×
× × ×
V
V
+
V
V
V
+
V
F
+
V
F垂直纸面向外
F垂直纸面向里
+
V
F
F
F
F=0
F=0
探究洛伦兹力的大小：
设有一段长为L，横截面积为S的直导线，单位体积内的自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量为q，自由电荷定向移动的速率为v。这段通电导线垂直磁场方向放入磁感应强度为B的匀强磁场中，求
（1）电流强度I。
（2）通电导线所受的安培力。
（3）这段导线内的自由电荷数。
（4）每个电荷所受的洛伦兹力。
(适用条件：速度方向与磁场方向垂直)
试判断下图中的带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的情况如何？
v0
1、V//B，洛伦兹力最小
F=0
想一想：如果带电粒子射入匀强磁场时（不计粒子重力）,初速度vo跟磁感强度B的方向平行,粒子将做什么运动？
以初速度v0做匀速直线运动
三、洛伦兹力的大小
类比：我们知道：当电流方向跟磁场方向平行时安培力等于0 。
2、V垂直B，洛伦兹力F最大
v
q
B
实验表明：磁场越强（磁感强度越大）、电荷量越大、运动速度越快，电荷受到的洛伦兹力越大；
可见:当电荷运动方向跟磁场方向垂直时洛伦兹力的大小跟三个因素相关：磁感应强度B 电荷量q 电荷运动快慢 v
F=qVB
V
［想一想］若此电子不垂直射入磁场，
电子受到的洛伦兹力又如何呢 ？
B1
B2
3、V与B夹角
四、洛伦兹力的特点：
2、洛伦兹力只改变速度的方向,
不改变速度的大小.
3、洛伦兹力对电荷永不做功.
1、洛伦兹力的方向总是既垂直于速度,又垂直于磁场, 即垂直于V 和B 所组成的平面.
练习
例题：求下图中各电荷所受洛伦兹力的大小和方向
垂直于纸面向里
洛伦兹力与电场力的对比
洛伦兹力 电场力
大小 F＝qvB（v⊥B） F＝qE
与速度的关系 v＝0或v∥B时，F＝0。 与速度无关。
力与场的方向的关系 一定是F⊥B，F⊥v，F方向由左手定则判定。 正电荷受力方向与电场方向相同，负电荷受力方向与电场方向相反。
做功情况 任何情况下都不做功。 可能做正功、负功，也可能不做功。
作用效果 只改变电荷的速度方向，不改变速度大小。 可以改变电荷速度的大小和方向。
五、电子束的磁偏转
当粒子在磁场中运动时，因受到洛伦兹力的作用而发生偏转。
应用：电视显像管的工作原理
原理：电子枪（阴极）发射电子，电子经过偏转线圈受到洛伦兹力发生偏转，打到荧光屏上，使荧光屏发光。
电子枪
电子束
荧光屏
偏转线圈
原理图
1、要使电子打在A点,偏转磁场应该沿什么方向
垂直纸面向外
2、要是电子打在B点,偏转磁场应该沿什么方向
垂直纸面向里
3、要是电子打从A点向B点逐渐移动,偏转磁场应该怎样变化？
先垂直纸面向外并逐渐减小,后垂直纸面向里并逐渐增大.
1、要使电子打在O点,偏转磁场应该沿什么方向
不加偏转磁场
实际上，在偏转区水平方向和竖直方向都有偏转磁场。这样光点就可以移动，这技术叫扫描。
我国的电视机每秒要进行50场扫描，所以我们才看到整个屏幕都是亮的。
扩 展 1：速度选择器
原理图
原理：如右图所示，粒子所受重力可忽略不计，运动方向相同而速率不同的粒子束射入相互正交的匀强电场和匀强磁场所组成的场区中，若粒子运动轨迹不发生偏折，必须满足平衡条件：，即，这样就把满足的粒子选择出来了。
带电粒子的质量、电荷量的大小、正负不作为通过条件。
扩 展 2：磁流体发电机
原理图
等离子体
原理：将一束等离子体（含有大量带正负电荷的微粒，整体呈电中性）喷射入磁场，高速射入的离子在洛伦兹力的作用下向两板聚集，使两板间形成电场，直至进入之间粒子的电场力大到后面的微粒不再聚集到板上，因此间会形成稳定的电压，进而连接电路可进行供电。
稳定时的电压大小为U=Bdv(d:板间距；v:离子的速率)
了解：霍尔效应
在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在垂直于磁场、电流的方向出现电势差的现象。
原理：导体中定向移动的电荷，在磁场中受到洛伦兹力而发生偏转，使得导体的上下表面聚集了异种电荷，产生电势差，进而导体中的电荷受到电场力和洛伦兹力的共同作用，当电场力增大到与洛伦兹力相等时，电荷不再上下聚集，上下表面的电势差稳定，该电势差称为霍尔电势差或霍尔电压。
了 解：电磁流量计
如图：用一非磁性材料制成圆柱形导管，直径为d，其中通有可以导电的液体，液体向左流动时，其中的正负离子受到洛伦兹力的作用上下偏转，形成电势差，测得稳定电势差的大小即可求得通过体积内的流量。
流量Q=Sv（S：导管的横截面积；v：流动速度）
挑战练习
【答案】D
【解析】、洛伦兹力沿轴负方向；、洛伦兹力沿轴负方向；沿平面入射的电子不能都满足洛伦兹力方向沿轴正方向的条件；若在平面内沿轴负方向射入电子，电子受洛伦兹力最大且指向轴正方向，选项正确。
1.如图所示，匀强磁场垂直于平面竖直向上，要使速率相同的电子进入磁场后，受到的洛伦兹力最大，并且洛伦兹力的方向指向轴正方向，那么电子运动方向可能是( )
A．沿轴正方向进入磁场
B．沿轴负方向进入磁场
C．在平面内，沿任何方向进入
D．在平面内，沿某一方向进入
挑战练习
【答案】D
【解析】由安培定则可判断阴极射线管所在处的磁场方向垂直纸面向外，根据左手定则判断阴极射线在磁场中受洛伦兹力方向向上，故正确，错误。
2.如图所示，在阴极射线管正上方平行放一通有强电流的长直导线，则阴极射线将( )
A．向纸内偏转
B．向纸外偏转
C．向下偏转
D．向上偏转
挑战练习
3.如图所示，某空间匀强电场竖直向下，匀强磁场垂直纸面向里，一金属棒从高处自由下落，则( )
【答案】B
【解析】棒中自由电子随棒一起下落，有向下速度，并受到向左的洛伦兹力，故自由电子往左端集中，因此A端带负电，端带正电。端受到向上静电力，端受到向下静电力，端先着地。
A．端先着地
B．端先着地
C．两端同时着地
D．以上说法均不正确
挑战练习
4．太阳内部活动剧烈时会向宇宙抛射大量高能带电粒子，若这些粒子都到达地面，将会对地球上的生命带来灾难，地球也因此无法孕育生命。但由于地磁场的存在改变了宇宙射线中带电粒子的运动方向，使得很多高能带电粒子不能到达地面。下面说法中正确的是（　　）
A．地磁场直接把高能带电粒子给反射回去
B．只有在太阳内部活动剧烈时，地磁场才对
射向地球表面的宇宙射线有阻挡作用
C．地磁场会使沿地球赤道平面垂直射向地球
的宇宙射线中的带电粒子向两极偏转
D．地磁场只对带电的宇宙射线有屏蔽作用，
对不带电的射线（如γ射线）没有阻挡作用
D
挑战练习
14．D【详解】A．根据左手定则，高能带电粒子在地磁场中受到洛伦兹力的作用，发生偏转，使其不能到达地面，不是反射回去，故A错误；
B．地磁场对任何射向地球表面的带电宇宙射线，都有洛伦兹力作用，使带电射线发生偏转，起到阻挡作用，故B错误；
C．根据左手定则，地磁场对沿地球赤道平面垂直射向地球的宇宙射线中的带电粒子使其做曲线运动，不会向两极偏转，故C错误；
D．地磁场对不带电的射线无阻挡作用，因为它们不受洛仑兹力，故D正确。
故选D。
挑战练习
5．从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。这些高能带电粒子到达地球会对地球上的生命带来危害，但由于地球周围存在地磁场，地磁场能改变宇宙射线中带电粒子的运动方向，如图所示，对地球上的生命起到保护作用。假设所有的宇宙射线从各个方向垂直射向地球表面，那么以下说法正确的是（　　）
A．地磁场对宇宙射线的阻挡作用各处都相同
B．由于南北极磁场最强，因此阻挡作用最强
C．沿地球赤道平面垂直射来的高能正电荷向东偏转
D．沿地球赤道平面垂直射来的高能负电荷向南偏转
C
挑战练习
5．C【详解】AB．高能带电粒子到达地球受到地磁场的洛伦兹力作用，发生偏转。粒子在不同的磁场中，所受到的洛伦兹力大小不一，而磁场在南、北两极的磁场几乎与地面垂直，在赤道附近磁场的方向几乎与地面平行，结合洛伦兹力的特点可知，地磁场对垂直射向地球表面的宇宙射线的阻挡作用在南、北两极最弱，赤道附近最强，故AB错误；
C．根据左手定则，地磁场会使沿地球赤道平面内射来的宇宙射线中的带正电粒子在洛伦兹力作用下向东偏转，偏向面与赤道平面平行，故C正确；
D．根据左手定则，地磁场会使沿地球赤道平面内射来的宇宙射线中的带负电粒子在洛伦兹力作用下向西偏转，偏向面与赤道平面平行。故D错误。
故选C。
挑战练习
6．在玻璃皿中，沿内壁边缘放一个环形电极，中心放一个圆柱形电极，把它们分别接在电源的正、负两极，然后在玻璃皿中注入导电液体，再将整个玻璃皿如左图所示放入磁场中，磁铁的上部为S极，下部为N极．液体将会旋转起来，从上往下看，如右图所示，关于液体的旋转下列说法中正确的是
A．如果导电液是正离子导电，从上往下看液体顺时针旋转
B．如果导电液是负离子导电，从上往下看液体顺时针旋转
C．如果是液体中有等量的正负离子，从上往下看液体不旋转
D．如果是液体中有等量的正负离子，从.上往下看液体逆时针旋转
挑战练习
BC
练习
34．如图所示，水平面内有相距为L=0.4m的两平行固定金属导轨，导轨左端接有电动势E=3V，内阻 的电源，金属棒ab跨接在金属导轨上，与两金属导轨垂直并接触良好，棒ab接入电路部分的电阻 ，金属导轨电阻不计。整个装置处于磁感强度大小B=1T的匀强磁场中，磁场方向与棒ab垂直且与水平面成 角斜向右上方，棒ab始终静止于导轨上。下列说法正确的是（　　）
A．棒ab所受的摩擦力方向水平向右
B．通过棒ab的电流为3A
C．棒ab所受的摩擦力大小为0.3N
D．棒ab所受的安培力大小为0.6N
挑战练习
42．如图甲所示，在水平地面上固定一对与水平面倾角为 的光滑平行导电轨道，轨道间的距离为l，两轨道底端的连线与轨道垂直，顶端接有电源。将一根质量为m的直导体棒 放在两轨道上，且与两轨道垂直。已知通过导体棒的恒定电流大小为I，方向由a到b，图乙为图甲沿 方向观察的平面图。若重力加速度为g，在轨道所在空间加一竖直向上的匀强磁场，使导体棒在轨道上保持静止。
（1）请在图乙所示的平面图中画出导体棒受力的示意图；
（2）求出磁场对导体棒的安培力的大小；
（3）如果改变导轨所在空间的磁场方向，试确定使导体棒在轨道上保持静止的匀强磁场磁感应强度B的最小值及其方向。
课堂小结
安培力与洛伦兹力
洛伦兹力
大小：
安培力是洛伦兹力的宏观体现
洛伦兹力是安培力的微观描述
（为与的夹角）
方向：用左手定则
挑战练习
13．地磁场能有效抵御宇宙射线的侵入。赤道剖面外的地磁场可简化为包围地球的一定厚度的匀强磁场，方向垂直该剖面，如图所示。图中给出了速度在图示平面内、分别从O点沿与地面平行和与地面垂直两个不同方向入射的微观带电粒子（不计重力）在地磁场中的三条运动轨迹a、b、c，且它们都恰不能到达地面，则下列相关说法中正确的是（　　）
A．沿a轨迹运动的粒子带正电
B．若沿a、c两轨迹运动的是相同的粒子，则沿轨
迹a运动的粒子的速率更大
C．某种粒子运动轨迹为a，若它速率不变，只改变
射入地磁场的方向，则只要其速度在图示平面内，
无论沿什么方向入射，都会到达地面
D．某种粒子运动轨迹为b，若它以相同的速率
在图示平面内沿其他方向入射，则有可能到达地面
D