《导与练》人教版物理选修3-1 同步教学课件：第3章 第5节 运动电荷在磁场中受到的力(49张PPT)

课件49张PPT。第5节　运动电荷在磁场中受到的力(教师参考)
一、教学目标
知识与技能
1.知道通电导线受到的安培力是洛伦兹力的宏观表现
2.知道判断洛伦兹力方向的方法,理解洛伦兹力对带电粒子不做功
3.会推导洛伦兹力的公式F=qvB,并掌握该公式的适用条件
4.了解电视显像管的工作原理
过程与方法
由磁场对电流的作用联想磁场对运动电荷的作用,进而能导出洛伦兹力大小的计算公式,并会利用此公式计算相关问题,通过洛伦兹力大小的推导过程进一步培养学生的分析推理能力
情感态度与价值观
让学生认真体会科学研究最基本的思维方法:“推理—假设—实验验证”二、教学重点难点
教学重点
利用左手定则判断洛伦兹力的方向,带电粒子垂直进入磁场时的洛伦兹力大小的计算
教学难点
电视显像管的工作原理
三、重难点突破方略
洛伦兹力表达式的突破方略
【情境设置】 设有一段长度为L的通电导线,横截面积为S,导线每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,定向移动的平均速率为v,将这段导线垂直于磁场方向放入磁感应强度为B的匀强磁场中.【问题1】 这段导线中电流I的微观表达式是怎样的?
学生:电流的微观表达式为I=nqSv.
【问题2】 这段导体所受的安培力为多大?
学生:F安=ILB
【问题3】 这段导体中含有多少自由电荷?
学生:这段导体中含有的电荷数为nLS.
【问题4】 每个自由电荷所受的洛伦兹力大小为多大?自主学习课堂探究达标测评自主学习 课前预习·感悟新知(教师参考)
情境链接一
美丽的极光
地球周围笼罩着磁场,太阳风向着赤道直射地球,却被这层磁场挡住,结果约有1%的太阳风进入南磁极(或北磁极)附近的大气层.两极的高层大气,受到太阳风的轰击后会发出光芒,形成美丽的极光.1.太阳风是带电粒子吗?是什么力挡住了射向地球的太阳风?
2.直射向赤道的太阳风与地球的磁场的夹角约为多少度?射向南北两极的太阳风与地球的磁场的夹角约为多少度?
3太阳风在赤道上空受到的磁场作用力大,还是在南北两极受到的大?
信息
1.太阳风是带电粒子,进入地磁场要受到洛伦兹力的作用,洛伦兹力使太阳风偏离原来的路径.
2.直射向赤道的太阳风与地球的磁场的夹角几乎达到了90度,而射向南北两极的太阳风与地球的磁场的夹角约为0度.
3.太阳风在赤道上空受到的磁场作用力大.情境链接二
1895年洛伦兹描述了电磁场中带电粒子所受的力,现在称为洛伦兹力.后来他把已被发现构成阴极射线的带负电的粒子确认为他的理论中的负电子.洛伦兹由于研究磁场对辐射的影响而获得1902年的诺贝尔物理学奖.目前,家家户户都有了电视机.不能将磁体靠近正在播放节目的电视机,你知道这是为什么吗?信息
带电粒子在磁场中运动要受到洛伦兹力,洛伦兹力的方向与带电粒子运动方向垂直,从而使带电粒子偏离原来的运动方向.教材梳理一、洛伦兹力的方向和大小
　　阅读教材第95～96页“洛伦兹力的方向和大小”部分,初步了解左手定则,知道速度方向与磁感应强度方向垂直时洛伦兹力大小的表达式.
1.洛伦兹力
(1)定义: 在磁场中受到的力.
(2)与安培力的关系:通电导线在磁场中所受的安培力是洛伦兹力的 .
2.洛伦兹力的方向
(1)判断方法:左手定则.
(2)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
内;让磁感线从掌心进入,并使四指指向 运动的方向,这时
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.负电荷受力的方向与正电荷受力的方向 .
(3)方向特点:F⊥B,F⊥v,即F垂直于 所决定的平面.运动电荷宏观表现平面正电荷拇指相反B和v3.洛伦兹力的大小
(1)当v⊥B时,F= .
(2)当v∥B时,F= .
(3)当v与B成θ角时,F= .qvB0qvBsin θ想一想 根据洛伦兹力的方向与带电粒子运动方向的关系,请你推测:洛伦兹力对带电粒子运动的速度有什么影响?洛伦兹力对带电粒子做的功是多少?答案:洛伦兹力总是垂直于带电粒子的运动方向,只改变速度的方向,不改变速度的大小,因此洛伦兹力对带电粒子不做功.二、电视显像管的工作原理
　　阅读教材第97～98页“电视显像管工作原理”部分,初步了解其工作原理.
1.原理:电视显像管应用了电子束 的道理.
2.扫描: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
,使得电子束打在荧光屏上的光点按照一定规律不断移动.磁偏转想一想 显像管工作时,电子束是依次扫描荧光屏上各点,但是我们为什么觉察不到荧光屏的闪烁?答案:人的视觉暂留时间为0.1 s,而电子束每隔0.02 s在荧光屏上扫描一次,所以我们觉察不到荧光屏的闪烁.不断变化自主检测答案:(1)√　(2)×　(3)×　(4)√1.思考判断
(1)洛伦兹力始终与带电粒子的运动方向垂直,故洛伦兹力永远不做功.(　　)
(2)安培力和洛伦兹力都是效果力,其实并不存在,原因是不遵守牛顿第三定律.(　　)
(3)当带电粒子的运动方向和磁场方向相同时,洛伦兹力最大.(　　)
(4)带电粒子在匀强磁场中受到的洛伦兹力一般是变力,而在匀强电场中受到的静电力一定是恒力.(　　)2.关于带电粒子所受洛伦兹力F、磁感应强度B和粒子速度v三者方向之间的关系,下列说法正确的是(　 　)
A.F,B,v三者一定垂直
B.F必定垂直于B,v,但B不一定垂直于v
C.B必定垂直于F,但F不一定垂直于v
D.v必定垂直于F,B,但F不一定垂直于B解析:由左手定则可知,洛伦兹力F的方向一定垂直于B,v所决定的平面,即F一定与B,v方向垂直,但B,v两者不一定垂直,故选项B正确.B3.(多选)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解析:安培力和洛伦兹力实质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.故选项B,D正确.BD4.图中带电粒子所受洛伦兹力的方向向上的是(　 　)解析:A图中带电粒子受力方向向上,B图中带电粒子受力方向向外,C图中带电粒子受力方向向左,D图中带电粒子受力方向向外,故选项A正确.A课堂探究 核心导学·要点探究要点一洛伦兹力的理解【问题导引】
带电粒子在带正电和负电两种情况下,应用左手定则判断洛伦兹力的方向时应注意什么?
答案:应用左手定则判断洛伦兹力方向时,对于正电荷,四指应指向其运动方向;对于负电荷,四指应指向其运动方向的反方向.(教师备用)
【要点归纳】
1.决定洛伦兹力方向的三个因素
电荷的电性(正、负)、速度方向、磁感应强度的方向.当电性一定时,其他两个因素决定洛伦兹力的方向,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.
2.F,B,v三者方向间的关系
电荷运动方向和磁场方向间没有因果关系,两者关系是不确定的.电荷运动方向和磁场方向确定洛伦兹力方向,F⊥B,F⊥v,即F垂直于B和v所决定的平面.
3.洛伦兹力特点
洛伦兹力的方向随电荷运动方向的变化而变化.但无论怎样变化,洛伦兹力都与运动方向垂直,故洛伦兹力永不做功,它只改变电荷运动的方向,不改变电荷运动的速度大小.4.洛伦兹力与安培力的关系
(1)洛伦兹力是单个运动电荷在磁场中受到的力,而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.
(2)尽管安培力是自由电荷定向移动时受到的洛伦兹力的宏观表现,但不能简单地认为安培力就等于所有定向移动的电荷所受洛伦兹力的合力,只有当导体静止时才能这样认为.
(3)洛伦兹力永不做功,但安培力却可以做功.可见安培力与洛伦兹力既有联系,也有区别.【例1】 在下面各图中,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,并指出洛伦兹力的方向.?思路探究?(1)某带电粒子以速度v进入匀强磁场中所受洛伦兹力大小决定于哪些因素?
答案:决定于磁感应强度B和速度与磁感应强度的夹角.
(2)公式F=qvBsin θ中的“θ”指的是什么角?
答案:“θ”为速度与磁感应强度二者间的夹角.(2)中v⊥B,所以F=qvB.由左手定则可知,负电荷所受洛伦兹力的方向垂直纸面向外.
(3)中v⊥B,所以F=qvB,方向与v垂直向左上方.
(4)中v⊥B,所以F=qvB.负电荷所受洛伦兹力的方向与v垂直向右.(2) qvB,垂直纸面向外
(3)qvB,与v垂直向左上方
(4) qvB,与v垂直向右规律方法 洛伦兹力与安培力的区别和联系 D针对训练1:两个带电粒子以相同的速度垂直磁感线方向进入同一匀强磁场,两粒子质量之比为1∶4,电荷量之比为1∶2,则两粒子受洛伦兹力之比为(　 　)
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,选项C正确.C要点二洛伦兹力与静电力的比较【问题导引】
运动电荷在磁场中运动会受到洛伦兹力的作用,运动电荷在电场中运动又会受到静电力作用,洛伦兹力和静电力有哪些不同?答案:(1)洛伦兹力F=qvB;只有运动电荷,且运动方向与磁场方向不平行时才受到洛伦兹力;洛伦兹力的方向总与速度方向垂直,用左手定则判断.
(2)静电力F=qE,只要是电荷在电场中就要受到静电力;力的方向与场强E方向共线(正电荷与E同向,负电荷与E反向).
(3)运动电荷在匀强电场中所受静电力一定为恒力,与运动情况无关;但运动电荷在匀强磁场中运动时,洛伦兹力一般为变力.【要点归纳】?思路探究?(1)带电粒子从a沿直线运动到b,粒子速度是否发生变化?
答案:速度方向不变,大小也不会发生变化.
(2)粒子受到哪几个力的作用?这几个力之间具有什么样的特点?
答案:粒子受到静电力和洛伦兹力的作用,静电力和洛伦兹力是一对平衡力,大小相等,方向相反.BD规律方法 对速度选择器的认识
(1)匀强电场和匀强磁场是正交的,带电粒子以一定的速度垂直电、磁场的方向射入电、磁场中;
(3)只选择“速度”, 与带电粒子的质量、电荷量、电性等皆无关.(教师备用)
变式:例2中若减小电场强度E、粒子仍以原来速度v从a点沿原方向射入极板间,粒子飞出极板时,其运动速度大小变化情况是(　 　)
A.不变　　　　　　　B.一定变大
C.一定变小 D.因电性不确定无法判断解析:当电场强度E减小时,带电粒子所受静电力变小,无论粒子带何种电荷,洛伦兹力一定大于静电力,静电力做负功,粒子动能减小,则速度减小,选项C正确.C例2-1:(多选)不计重力的负粒子能够在如图所示的正交匀强电场和匀强磁场中匀速直线穿过.设产生匀强电场的两极板间电压为U,距离为d,匀强磁场的磁感应强度为B,粒子带电荷量为q,进入速度为v,以下说法正确的是(　 　)
A.若同时增大U和B,其他条件不变,则粒子一定能够直线穿过
B.若同时减小d和增大v,其他条件不变,则粒子可能直线穿过
C.若粒子向下偏,能够飞出极板间,则粒子动能一定减小
D.若粒子向下偏,能够飞出极板间,则粒子的动能有可能不变BCA 针对训练2:在例2的电、磁场情景下.
(1)若质子以速度v从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向从左向右射入时,质子将　　　　.?
(2)若电子以速度v从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向从左向右射入时,电子将　　　　.?
(3)若质子以大于v的速度,沿垂直于匀强电场和匀强磁场的方向从两板正中央射入,质子将　　　　.?
以上各小题选择的答案有:
A.不偏转 B.向上偏转
C.向下偏转 D.向纸内或纸外偏转答案:(1)A　(2)A　(3)B要点三带电体在匀强磁场中的运动【问题导引】
如图所示,质量为m、电荷量为q的带正电滑块沿着竖直的粗糙绝缘墙竖直下滑,磁感应强度为B的匀强磁场方向水平,并与滑块运动方向垂直.
(1)滑块与墙间是否有弹力的作用?
(2)滑块下滑的加速度是否变化?
答案:(1)有.带正电滑块沿着绝缘墙竖直下滑,由左手定则可知,滑块的洛伦兹力水平向左,则竖直墙对滑块有水平向右的弹力.
(2)滑块沿着竖直墙下滑时,滑块的洛伦兹力变化,竖直墙对滑块向右的弹力变化,滑块与墙间有变化的滑动摩擦力,滑块下滑的加速度发生变化.【例3】 (多选)如图所示,一个带负电的滑环套在水平且足够长的粗糙的绝缘杆上,整个装置处于方向如图所示的匀强磁场B中.现给滑环施以一个水平向右的初速度,则滑环在杆上的运动情况可能是(　 　)
A.始终做匀速运动
B.开始做减速运动,最后静止于杆上
C.先做加速运动,最后做匀速运动
D.先做减速运动,最后做匀速运动?思维导图?ABD解析:带负电滑环向右运动时所受洛伦兹力方向向上,其大小与滑环初速度大小有关.由于滑环初速度的大小未具体给定,因而洛伦兹力与滑环重力可出现三种不同的关系:(1)当洛伦兹力等于重力,滑环不受摩擦力,则滑环做匀速运动.(2)当洛伦兹力开始时小于重力,由于杆是粗糙的,则滑环受到向左的摩擦力,滑环将做减速运动,最后停在杆上.(3)当洛伦兹力开始时大于重力,由于滑环受摩擦力作用,速度减小,则滑环所受的洛伦兹力随速度减小而减小,滑环与杆之间挤压力将逐渐减小,因而滑环所受的摩擦力减小,当挤压为零时,即洛伦兹力与重力平衡时摩擦力为零,滑环做匀速运动,故选项A,B,D正确.误区警示 对洛伦兹力的理解
(1)带电物体在磁场中运动时,只要速度发生变化,洛伦兹力一定发生变化.
(2)带电物体在磁场中运动所受洛伦兹力与其他力一样,共同影响物体的运动,但要注意其变化的特点.例3-1:一个质量m=0.1 g的小滑块,带有q=5×10-4 C的电荷,放置在倾角α=30°的光滑斜面上(斜面绝缘),斜面置于B=0.5 T的匀强磁场中,磁场方向垂直纸面向里,如图所示.小滑块由静止开始沿斜面下滑,若斜面足够长,小滑块滑至某一位置时,要离开斜面(g=10 m/s2).问:
(1)小滑块带何种电荷?
解析:(1)滑块下滑过程中受力如图所示,由左手定则可知滑块带负电荷. 答案:(1)负电荷(2)小滑块离开斜面时的瞬时速度多大?
(3)该斜面的长度至少多长?
A (教师参考)
【教材探究】
教材P97“思考与讨论”的问题中,你认为带电粒子(不计重力)垂直于磁场方向进入匀强磁场,带电粒子将做怎样的运动?
答案:由于洛伦兹力总是垂直于电荷运动方向,因此洛伦兹力一定不做功.它只改变运动电荷的速度方向,不能改变运动电荷的速度(或动能)的大小,由此可知,带电粒子在匀强磁场中可做匀速圆周运动.达标测评 随堂演练·检测效果1.(多选)下列关于图中各带电粒子所受洛伦兹力的方向或带电粒子的带电性的判断正确的是(　 　)
A.洛伦兹力方向竖直向上
B.洛伦兹力方向垂直纸面向里
C.粒子带负电
D.洛伦兹力方向垂直纸面向外解析:根据左手定则可知A图中洛伦兹力方向应该竖直向上,B图中洛伦兹力方向垂直纸面向里,C图中粒子带正电,D图中洛伦兹力方向垂直纸面向外,故选项A,B,D正确,C错误.ABD2.在以下关于电荷、通电导线在电场或磁场中受力的说法中,正确的是(　 　)
A.把通电导线放在磁场中,通电导线一定会受到洛伦兹力的作用
B.把电荷放在电场中,电荷一定受到静电力的作用
C.把电荷放在磁场中,电荷一定受到洛伦兹力的作用
D.电荷在磁场中运动,电荷一定受到洛伦兹力的作用B解析:通电导线中电流方向与磁场方向平行时,导线不受磁场力作用,但电荷在电场中,一定会受静电力作用,选项A错误,B正确;静止的电荷在磁场中不受磁场力作用,运动电荷速度方向与磁场方向平行时,也不受磁场力作用,选项C,D错误.3.(多选)将带电的小球用细线悬挂置于匀强磁场中,由如图所示位置释放,当带电小球最初两次经过最低点时,相同的量是(　 　)
A.小球受到的洛伦兹力
B.细线的拉力
C.小球的动能
D.小球的加速度CD解析:带电小球在磁场中运动时受洛伦兹力作用,但洛伦兹力对小球不做功,因此小球最初两次经过最低点时速度大小相等,但方向相反,因此洛伦兹力变化、动能不变;由圆周运动知识可知,向心加速度不变,但细线拉力变化,故选项C,D正确.4.如图所示,在两平行金属板间有正交的匀强电场和匀强磁场,一个带电粒子垂直于电场和磁场方向射入场中,射出时粒子的动能减小了,为了使粒子射出时比射入时的动能增大,在不计重力的情况下,可采取的方法是(其他条件不变)(　 　)
A.增大粒子射入时的速度 B.增大磁场的磁感应强度
C.增大电场的电场强度 D.改变粒子的带电性质C解析:无论粒子带何种电荷,由于静电力与洛伦兹力都是方向相反的,而动能减少说明静电力做了负功,即静电力小于洛伦兹力,粒子向洛伦兹力的方向偏转.所以要使动能增大,必然减小洛伦兹力或增大静电力.增大速度,则洛伦兹力增大而静电力不变,动能更会减少,选项A错误.增大磁感应强度即增大了洛伦兹力,选项B错误.增加电场强度即增大静电力,使粒子向静电力方向偏转,这样静电力做正功,所以动能会增大,选项C正确.改变电性,两力同时反向,洛伦兹力仍大于静电力,所以粒子动能仍会减少,选项D错误.(教师参考)
课堂小结
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