人教版高中物理选择性必修第二册第一章安培力与洛伦兹力2磁场对运动电荷的作用力课件（70页ppt）

(共70张PPT)
第一章　安培力与洛伦兹力
2.磁场对运动电荷的作用力
核心素养：
1. 知道什么是洛伦兹力，知道洛伦兹力的方向与运动电荷及磁感应强度方向的关系. （物理观念）
2. 会用左手定则判断洛伦兹力的方向，掌握洛伦兹力公式的推导过程，会计算洛伦 兹力的大小.（科学思维）
3. 结合演示实验，观察电子束在磁场中的偏转.（科学探究）
4. 演示实验能够让学生确信洛伦兹力的存在，激发其好奇心和求知欲，并由此树立 从事科学研究的人生志向.（科学态度与责任）
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研习任务一　洛伦兹力的方向
合作　讨论
如图所示，电子由阴极向阳极运动（向右运动）
过程中向下发生了偏转，试问：
（1）什么力使电子偏转？该力的方向如何？
提示：（1）电子在磁场中运动要受到洛伦兹力，是洛伦兹力使电子运动方向发生偏 转，力的方向向下.
（2）电子运动轨迹附近的磁场方向如何？电子所受洛伦兹力与磁场方向、电子运动 方向存在什么关系？
提示：（2）电子运动轨迹附近的磁场方向由N极指向S极，电子所受洛伦兹力方向与 磁场方向以及电子运动方向垂直，我们可以用左手定则来判断.
教材　认知
1. 洛伦兹力
（1）定义： 在磁场中受到的力称为洛伦兹力.
（2）与安培力的关系：通电导线在磁场中所受的安培力是 的宏观表现.
2. 洛伦兹力方向的判断——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 指向正电荷运 动的方向，这时拇指所指的方向就是运动的 在磁场中所受洛伦兹力的方 向.负电荷受力的方向与正电荷受力的方向 .
运动电荷　
洛伦兹力　
四指　
正电荷　
相反　
要点　归纳
1. 决定洛伦兹力方向的三个因素：电荷的正负、电荷运动的方向、磁感应强度 的方向.
2. 洛伦兹力方向的特点：洛伦兹力的方向总是与电荷运动的方向和磁场方向垂直， 即洛伦兹力的方向总是垂直于运动电荷速度方向和磁场方向确定的平面.即F、B、v 三个量的方向关系是：F⊥B，F⊥v，但B与v不一定垂直，即F垂直v和B决定的平面， 如图所示.
3. 负电荷所受洛伦兹力：用左手定则判定负电荷在磁场中运动所受的洛伦兹力时， 应注意将四指指向负电荷运动的反方向.
研习　经典
解析：根据左手定则可以判断，选项A中的带电粒子所受的洛伦兹力方向向下；选项 B中的带电粒子所受的洛伦兹力方向向上；选项C中的带电粒子所受的洛伦兹力方向 垂直纸面向外；选项D中的带电粒子所受的洛伦兹力方向垂直于纸面向里，D正确.
D
名师点评
　　判断运动电荷所受的洛伦兹力方向时使用左手定则.解题时，要明确所带电荷的 电性与四指指向的关系.对于正电荷，四指指向电荷的运动方向；但对于负电荷，四 指应指向电荷运动的反方向.
对应　训练
A. z轴正方向的磁场
B. y轴负方向的磁场
C. x轴正方向的磁场
D. y轴正方向的磁场
解析：电子带负电，且由阴极向阳极运动，要想受力沿z轴正向，根据左手定则，四 指指向x轴负向，大拇指指向z轴正向，则手心朝向y轴正向，磁场穿过手心，可知需 加y轴负方向的磁场，故B正确.
B
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研习任务二　洛伦兹力的大小
合作　讨论
如图所示，匀强磁场的磁感应强度大小为B. 设磁场中有一段长度为L的通电导线，横 截面积为S，单位体积中含有的自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量为q且定向移 动的速率都是v.
（1）导线中的电流是多少？导线在磁场中所受安培力多大？
提示：（1）根据电流的微观决定式，导线中的电流I＝nqSv；
由安培力公式F＝BIL，得导线在磁场中所受安培力F安＝BLnqSv.
（2）长为L的导线中含有的自由电荷数为多少？每个自由电荷所受洛伦兹力多大？
教材　认知
1. 洛伦兹力的大小：电荷量为q的粒子以速度v运动时，如果速度方向与磁感应强度B 的方向 ，那么粒子受到的洛伦兹力为F＝ .
2. 一般表达式：电荷运动的方向与磁场的方向夹角为θ 时，电荷所受的洛伦兹力为F ＝ .
垂直　
qvB　
qvBsin θ　
要点　归纳
1. 洛伦兹力与安培力的关系
（1）安培力是导体中所有定向移动的自由电荷受到的洛伦兹力的宏观表现，而洛伦 兹力是安培力的微观本质.
（2）洛伦兹力对电荷永远不做功，但安培力可以对导体做功.
2. 洛伦兹力的大小：F＝qvBsin θ，θ为电荷运动的方向与磁感应强度方向的夹角.
（1）当θ＝90°时，v⊥B，F＝qvB，即运动方向与磁场方向垂直时，洛伦兹力最大.
（2）当θ＝0°时，v∥B，F＝0，即运动方向与磁场方向平行时，不受洛伦兹力.
3. 洛伦兹力和电场力的比较
比较项目 洛伦兹力 电场力
性质 磁场对在其中运动的电荷的作 用力 电场对放入其中的电荷的作用力
产生条件 v≠0且v不与B平行 无条件限制，电场中的电荷一定受 到电场力作用
大小 F＝qvB（v⊥B） F＝qE
比较项目 洛伦兹力 电场力
力的方向与场 方向的关系 一定是F⊥B，F⊥v 正电荷所受电场力的方向与电场方 向相同，负电荷所受电场力的方向 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、负功或不做功
力F为零时场 的情况 F为零，B不一定为零 F为零，E一定为零
作用效果 只改变电荷运动的速度方向， 不改变速度大小 既可以改变电荷运动的速度大小， 也可以改变电荷运动的方向
研习　经典
[典例2]　如图所示，各图中的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，并指出洛伦兹 力的方向.
解析：（1）因v⊥B，所以F＝qvB，由左手定则可知洛伦兹力方向垂直纸面向外.
（3）0
解析：（3）由于v与B平行，所以不受洛伦兹力.
（4）qvB　垂直v指向左上方
解析：（4）v与B垂直，F＝qvB，方向垂直v指向左上方.
答案：（1）qvB　垂直纸面向外
名师点评
　　空间思维是解此类题目的关键，学会从不同的角度看v与B的关系，在洛伦兹力的 表达式F＝qvBsin θ中，θ是v与B的夹角.我们可以理解为F＝qB·vsin θ，其中vsin θ是速 度在垂直磁场方向上的分量；也可以理解为F＝qv·Bsin θ，其中Bsin θ是B在垂直v方向 上的分量.所以要理解其物理意义，不要死记硬背.
对应　训练
A. 2∶1 B. 1∶1 C. 1∶2 D. 1∶4
解析：带电粒子的速度方向与磁感线方向垂直时，洛伦兹力F＝qvB与电荷量成正 比，与质量无关，C项正确.
C
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研习任务三　带电体在洛伦兹力作用下的运动
合作　讨论
太阳风暴爆发时会喷射大量的高能带电粒子流和等离子体，释放的物质和能量到达近 地空间，可引起地球磁层、电离层、中高层大气等地球空间环境强烈扰动，从而影响 人类活动.根据以上情景，试讨论：
（1）地球周围存在着地磁场，带电粒子进入地磁场后会受到洛伦兹力的作用，它对 带电粒子运动的速度有何影响？
提示：（1）由于洛伦兹力方向和速度方向始终垂直，所以洛伦兹力只改变速度的方 向，不改变速度的大小.
（2）洛伦兹力对进入地磁场中的带电粒子做功吗？
提示：（2）由于洛伦兹力和速度方向始终垂直，所以洛伦兹力对带电粒子不做功， 带电粒子的动能不变.
教材　认知
1. 构造：电视显像管主要由电子枪、偏转线圈和荧光屏三部分组成.
2. 原理
（1）电子枪发射 .
（2）电子束在磁场中 .
（3）荧光屏被电子束撞击时发光.
高速电子　
偏转　
不断
变化　
50　
要点　归纳
1. 洛伦兹力公式F＝qvB中，v是电荷相对磁场的速率.
2. 洛伦兹力和重力、弹力、摩擦力一样是一个普通的力，它的大小和方向都有一定 的规则，明白了规则它就是一个简单的力了.
3. 分析带电体在磁场中的运动，分析方法与力学中完全相同：对物体进行受力分 析，求合力，用牛顿第二定律、运动学公式或动能定理列方程求解.
研习　经典
C
A. 电子经过磁场时速度增大
B. 欲使电子束打在荧光屏上的A点，偏转磁场的方向应垂直纸面向里
C. 欲使电子束打在荧光屏上的B点，偏转磁场的方向应垂直纸面向外
D. 欲使电子束打在荧光屏上的位置由A点调整到B点，应调节偏转线圈中的电流使磁场增强
解析：洛伦兹力方向与速度方向垂直，不做功，电子的速度大小不变，A错误；欲使 电子束打在荧光屏上的A、B点，偏转磁场的方向应垂直纸面向外，B错误，C正确； 由A点调整到B点，应减小电子束的偏转程度，电子所受洛仑兹力减小，故应调节偏 转线圈中的电流使磁场减弱，D错误.
对应　训练
3. 如图所示，质量为m、带电荷量为q的小球，在倾角为α的光滑斜面上由静止开始下 滑，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直纸面向外.若带电小球下滑后某个时刻对斜 面的压力恰好为零，问：
（1）小球带电性质如何？
答案：（1）正电　
解析：（1）由受力分析可得，带电小球所受磁场力方向垂直于斜面向上，由左手定 则可得，此小球带正电.
（2）此时小球下滑的速度和位移分别是多大？
解析：（2）当小球与斜面间没有压力时有qvB＝mgcos α，
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研习任务四　洛伦兹力与现代科技
合作　讨论
如图所示为滤速器的原理图.K为电子枪，由枪中沿KA方向射出的电子，速率大小不 一.当电子通过方向互相垂直的匀强电场和匀强磁场后，只有一定速率的电子能沿直 线前进，并通过小孔S. 设产生匀强电场的平行板间的电压为300 V，间距为5 cm，垂 直纸面的匀强磁场的磁感应强度为0.06 T（不计粒子重力），问：
（1）磁场的方向应该垂直纸面向里还是向外？
提示：（1）由题图可知，平行板产生的电场强度E方向向下，电子受到的电场力方向 向上，要使电子沿直线运动，电子束受到的洛伦兹力方向必须向下，根据左手定则可 判定B的方向垂直于纸面向里.
（2）速度为多大的电子才能通过小孔S？
要点　归纳
1. 速度选择器
2. 磁流体发电机
（1）工作原理：磁流体发电机的发电原理图如图甲所示，其平面图如图乙所示.平行 金属板 A、B之间有一个很强的磁场，将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有 大量正、负带电粒子）喷入磁场，A、B两板间便产生电压.如果把 A、B和用电器连 接，A、B就是一个直流电源的两个电极.
甲 乙
甲 乙
3. 电磁流量计
　　
研习　经典
BD
A. 磁场方向必须垂直纸面向外
C. 只有带负电的粒子（不计重力）才能通过此速度选择器
名师点评
　　速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计具有相同的特点，即在稳定状态时，电 荷所受的洛伦兹力与电场力均等大反向.
对应　训练
A. 仅减小两板间的距离，发电机的电动势将增大
B. 仅增强磁感应强度，发电机的电动势将减小
C. 仅增加负载的阻值，发电机的输出功率将减小
D. 仅减小磁流体的喷射速度，发电机的总功率将减小
D
知识　构建
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课后提素养深刻剖析 提升能力
基础　题组
1. 判断正误.
×
√
×
√
A
解析：根据左手定则判断得出正电荷受到的洛伦兹力方向向上，故A正确，B错误； 根据左手定则判断可知，负电荷受到的洛伦兹力方向向上，故C、D错误.故选A.
A. 电子束打在A点时，洛伦兹力对电子做正功
D. 0～T内，电子束在荧光屏上的位置由A向B点移动
BD
中档　题组
A. 它所受的洛伦兹力大小一定为qvB
B. 它所受的洛伦兹力大小有可能不是qvB
C. 它所受的洛伦兹力的方向一定和v垂直
D. 它所受的洛伦兹力的方向有时与v垂直，有时与v平行
解析：带电粒子在磁场中运动时，受到的洛伦兹力大小为F＝qvBsin θ，当运动的方向 与磁场的方向垂直时，它所受的洛伦兹力大小一定为qvB，故A正确，B错误；根据左 手定则可知，洛伦兹力方向总是垂直磁场与运动的方向所构成的平面，故C正确，D 错误.
AC
AD
A. A板带正电
B. 有电流从b经用电器流向a
C. 金属板A、B间的电场方向向下
D. 等离子体发生偏转的原因是离子所受洛伦兹力大于所受静电力
BD
解析：等离子体射入磁场后，由左手定则知正离子受到向下的洛伦兹力向B板偏转， 故B板带正电，B板电势高，电流方向从b经用电器流向a，电场的方向由B板指向A 板，A、C错误，B正确；当Bvq＞Eq时离子发生偏转，D正确.
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课时作业（二）
[基础训练]
A. 安培发现了磁场对运动电荷的作用规律，洛伦兹发现了磁场对电流的作用规律
B. 点电荷是一个理想模型，只有电荷量很小的带电体才可看成点电荷
D. 法拉第首先发现了电流的磁效应，并引入“场”的概念用来研究电和磁现象
C
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C
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A. 电子在偏转线圈中被加速
B. 电子的偏转是因为电场力的作用
C. 若电子束打到A点，线圈区域中有平行纸面向下的磁场
D. 若电子束打到A点，线圈区域中有垂直纸面向外的磁场
D
解析：偏转线圈通入电流时产生磁场，洛伦兹力不做功，电子在偏转线圈中不能被
加速，A错误；电子的偏转是因为洛伦兹力的作用，B错误；由左手定则可知，若电子束打到A点，线圈区域中有垂直纸面向外的磁场，C错误，D正确.
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A. 竖直向下沿直线射向地面
B. 相对于预定地点向东偏转
C. 相对于预定地点稍向西偏转
D. 相对于预定地点稍向北偏转
解析：由左手定则判断洛伦兹力方向向东，相对于预定地点向东偏转，故B正确.
B
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BC
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A. 如果是P型半导体，有φM＞φN
B. 如果是N型半导体，有φM＜φN
C. 如果是P型半导体，有φM＜φN
D. 如果是金属导体，有φM＞φN
CD
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解析：如果是P型半导体，由左手定则知带正电的粒子向N板偏转，所以N板的电势 高，即φM＜φN，故C项正确，A项错误；如果是N型半导体或金属导体，由左手定则 知电子向N板偏转，所以N板的电势低，即φM＞φN，B项错误，D项正确.故选CD.
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A. 两小球到达轨道最低点的速度vM＝vN
B. 两小球到达轨道最低点的速度vM＞vN
C. 在磁场和电场中小球均能到达轨道的另一端
D. 在磁场中小球能到达轨道的另一端，在电场中小球不能到达轨道的另一端
BD
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解析：小球在磁场中运动时洛伦兹力不做功，所以满足机械能守恒.在电场中受到的 电场力向左，下滑过程中电场力做负功，所以到达最低点时速度关系为vM＞vN，选项 A错误，选项B正确；整个过程小球在磁场中运动时洛伦兹力不做功，所以满足机械 能守恒，能到达轨道的另一端；在电场中受到的电场力向左，整个过程中电场力都做 负功，机械能减少，小球不能到达轨道的另一端，选项C错误，D正确.
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[能力提升]
A. 小球带正电
B. 小球在斜面上运动时做匀加速直线运动
C. 小球在斜面上运动时做加速度增大，而速度也增大的变加速直线运动
ACD
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A
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C. 大小为Bv，方向向下，与粒子带何种电荷无关
D. 大小为Bv，方向向上，与粒子带何种电荷无关
D
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解析：为使粒子流经磁场时不偏转（不计重力），当粒子带正电时，所受洛伦兹力向 下，则静电力方向应向上，电场方向向上，由平衡条件qvB＝qE，得E＝vB，A错误； 为使粒子流经磁场时不偏转（不计重力），当粒子带负电时，所受洛伦兹力向上，则 静电力方向应向下，电场方向向上，由平衡条件qvB＝qE，得E＝vB，B错误；由A、 B中分析可知，不论粒子带何种电荷，电场强度方向都向上，大小等于vB，粒子流经 磁场时不偏转，C错误，D正确.
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11. 在某空间存在着水平向右的匀强电场和垂直于纸面向里的匀强磁场，如图所示， 一段光滑且绝缘的圆弧轨道AC固定在纸面内，其圆心为O点，半径R＝1.8 m，OA连 线在竖直方向上，AC弧对应的圆心角θ＝37°.现有一质量m＝3.6×10－4 kg、电荷量 q＝＋9.0×10－4 C的带电小球（可视为质点）以v0＝4.0 m/s的初速度沿水平方向从A 点射入圆弧轨道内，一段时间后从C点离开，小球离开C点后做匀速直线运动，已知 重力加速度g＝10 m/s2，sin 37°≈0.6，不计空气阻力，求：
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（1）匀强电场的场强E；
答案：（1）3 N/C
解析：（1）当小球离开圆弧轨道后，对其受力分析如图所示：
由平衡条件得：F电＝qE＝mgtan θ，代入数据解得：E＝3 N/C.
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（2）小球射入圆弧轨道后的瞬间对轨道的压力大小.
答案：（2）3.2×10－3 N、
代入数据得：FN＝3.2×10－3 N，
由牛顿第三定律得，小球对轨道的压力大小为：FN'＝3.2×10－3 N.
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