2.3洛伦兹力和显像管 学案 (1)

2.3洛伦兹力和显像管
学案
一、教学目标
（一）、知识目标：
1、知道洛伦兹力的方向与电荷的运动方向和磁感应强度的方向都垂直。
2、知道安培力公式推导出洛伦兹力公式的过程，由此体会磁场中通电导线所受的安培力实际上是运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现。
3、知道电视显像管的基本构造以及它工作的基本原理。
（二）、能力目标：
1、会用左手定则判断洛伦兹力的方向。
2、会计算洛伦兹力的大小。
（三）、情感态度价值观：
1、经历实验探究洛伦兹力方向的过程，知道洛伦兹力的方向与电荷的运动方向和磁感应强度的方向都垂直。
2、经历由安培力公式推导过程，体会磁场中通电导线所受的安培力与洛伦兹力的关系。
二、教学重点难点
重点：1.利用左手定则会判断洛伦兹力的方向。洛伦兹力大小计算公式的推导和应用。 2．掌握垂直进入磁场方向的带电粒子，受到洛伦兹力大小的计算。
三、基础知识梳理
一、洛伦兹力
1．定义：______________在磁场中所受的力．
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__________，而洛伦兹力是安培力的微观本质．
二、洛伦兹力的方向和大小
1．洛伦兹力的方向
(1)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平面内．让______________从掌心进入，并使四
指指向________________，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______．
(2)特点：洛伦兹力的方向与电荷运动方向和磁场方向都______________，洛伦兹力只改变带电粒子的运动方向，
不改变速度大小，对电荷不做功．
2．洛伦兹力的大小
(1)一般公式：F＝qvBsin
θ，其中θ为________方向与________方向的夹角．
(2)当________时，F＝qvB.
(3)当________时，F＝0.
三、电视显像管的工作原理
1．电视显像管应用了电子束________的原理．
2．扫描：电子束打在荧光屏上的位置在______________的控制下一行一行的不断移动．
3．偏转线圈：产生使电子束偏转的____________.
四、教学过程
一、洛伦兹力的方向和大小
图1
[问题情境]
太阳发射出的带电粒子以300～1
000
km/s的速度扫过太阳系，形成“太阳风”(如图1所示)．这种巨大的辐射经过地球时，为什么不能直射地球？为什么会在地球两极形成绚丽多彩如同梦幻般的极光？
1．通过课本中的演示实验，我们得出什么结论？
　
2．用左手定则判断洛伦兹力方向和用左手定则判断安培力方向时，左手的用法相同吗？
　
3．洛伦兹力的大小如何确定？
4．洛伦兹力和安培力的关系是怎样的？
　
[要点提炼]
1．____________电荷在磁场中所受的作用力称为洛伦兹力．
2．洛伦兹力的方向可用____________定则来判断：伸开________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
________电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向．
3．洛伦兹力的计算公式为F＝Bqvsin
θ，式中θ指________方向与________方向的夹角．
4．由左手定则可知，洛伦兹力的方向始终与运动电荷的速度方向________，所以洛伦兹力对带电粒子不做功．
二、电视机显像管的工作原理
[问题情境]
目前，电视机已走进了家家户户，给人们的生活带来了巨大的变化．足不出户便可欣赏到千里之外的奥运赛事的精彩直播！电视机正在播放节目时，禁止将磁铁靠近荧光屏！你知道这是为什么吗？
1．电视机显像管的主要构造是什么？
　
2．显像管的工作原理是什么？
　
3．电子束怎样实现“扫描”图像？
例1　图2中各图已标出磁场方向、电荷运动方向、电荷所受洛伦兹力方向三者中的两个，试标出另一个的方向．
图2
变式训练1　如图3所示，将水平导线置于真空中，并通以恒定电流I.导线的正下方有一质子初速度方向与电流方向相同，则质子的运动情况可能是(　　)
图3
A．沿路径a运动
B．沿路径b运动
C．沿路径c运动
D．沿路径d运动
变式训练2　下列关于带电荷量为＋q的粒子在匀强磁场中运动的说法，正确的是(　　)
A．只要速度的大小相同，所受洛伦兹力的大小就相同
B．如果把＋q改为－q，且速度反向而大小不变，则洛伦兹力的大小、方向都不变
C．洛伦兹力方向一定与电荷运动的速度方向垂直，磁场方向也一定与电荷的运动方向垂直
D．当粒子只受洛伦兹力作用时，动能不变
例2　如图4所示，摆球带负电荷的单摆，在一匀强磁场中摆动．匀强磁场的方向垂直于纸面向里．摆球在A、B间摆
动过程中，由A摆到最低点C时，摆线拉力大小为F1，摆球加速度大小为a1；由B摆到最低点C时，摆线拉
力大小为F2，摆球加速度大小为a2，则(　　)
图4
A．F1＞F2，a1＝a2
B．F1＜F2，a1＝a2
C．F1＞F2，a1＞a2
D．F1＜F2，a1＜a2
例3　如图5所示，套在很长的绝缘直棒上的小球其质量为m，带电荷量是＋q，小球可在棒上滑动．将此棒竖直放在
互相垂直、方向如图所示的匀强电场和匀强磁场中，电场强度大小为E，磁感应强度大小为B.小球与棒的动摩
擦因数为μ，求小球由静止沿棒下落的最大加速度和最大速度．
图5
变式训练3　质量为0.1
g的小物块，带有5×10－4
C的电荷量，放在倾角为30°的绝缘光滑斜面上，整个斜面置于0.5
T
的匀强磁场中，磁场方向如图6所示．物块由静止开始下滑，滑到某一位置时，物块开始离开斜面(设斜
面足够长，取g＝10
m/s2)，问：
(1)物块带何种电荷？
(2)物块离开斜面时的速度为多少？
图6
【即学即练】
1．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三者必定均保持垂直
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
2．下列说法正确的是(　　)
A．运动电荷在磁感应强度不为零的地方，一定受到洛伦兹力的作用
B．运动电荷在某处不受洛伦兹力的作用，则该处的磁感应强度一定为零
C．洛伦兹力既不能改变带电粒子的动能，也不能改变带电粒子的速度
D．洛伦兹力对带电粒子不做功
3．初速度为v0的电子，沿平行于通电长直导线的方向射出，直导线中电流方向与电子的初始运动方向如图7所示，则
(　
　)
图7
A．电子将向右偏转，速率不变
B．电子将向左偏转，速率改变
C．电子将向左偏转，速率不变
D．电子将向右偏转，速率改变
4．一初速度为零的质子，经过电压为1
880
V的电场加速后，垂直进入磁感应强度为5.0×10－4
T的匀强磁场中，则质
子受到的洛伦兹力多大？(质子质量m＝1.67×10－27
kg，g＝10
m/s2)
参考答案
课前自主学习
一、1.运动电荷　2.宏观表现
二、1.(1)磁感线　正电荷运动的方向　洛伦兹力　相反　(2)垂直　2.(1)速度　磁感应强度　(2)v⊥B　(3)v∥B
三、1.磁偏转　2.偏转磁场　3.磁场
核心知识探究
一、
[问题情境]
1．运动的电荷在磁场中要受到力的作用
2．左手用法相同
3．由公式F＝Bqvsin
θ来确定　4.通电导线受到的安培力是洛伦兹力的宏观表现
[要点提炼]
1．运动
2．左手　左　正电荷　正
3．速度　磁感应强度
4．垂直
二、
[问题情境]
1．电视机显像管由电子枪、偏转线圈和荧光屏三部分组成
2．阴极发射电子，经过偏转线圈(偏转线圈产生的磁场和电子运动方向垂直)
电子受洛伦兹力发生偏转，偏转后的电子打在荧光屏上，使荧光屏发光
3．在电视机显像管的偏转区，分别在竖直方向和水平方向产生偏转磁场，其方向、强弱都在不断地变化，因此电子束打在荧光屏上的光点就像如图所示那样不断移动，这在电视技术中叫做扫描．
解题方法探究
例1　(1)受力方向垂直于v斜向上；
(2)受力方向垂直于v向左；
(3)运动方向平行于斜面向下；
(4)磁场方向垂直于纸面向外．
解析　用左手定则判断，对－q，四指应指向其运动方向的反方向．分别可得，图(1)中＋q受洛伦兹力方向垂直于v斜向上；图(2)中－q受洛伦兹力方向垂直于v向左；图(3)中－q运动方向平行于斜面向下，图(4)中匀强磁场方向垂直于纸面向外．
变式训练1　B　[首先判断出电流I在导线下方产生的磁场为垂直纸面向外，然后由左手定则即可判断质子的运动轨迹应为b.]
变式训练2　BD　[洛伦兹力的大小不仅与速度的大小有关，还与其方向有关，故A项错误；用左手定则判定洛伦兹力方向时，负电荷运动的方向跟正电荷运动的方向相反，故把＋q换成－q，且速度反向而大小不变时，洛伦兹力的方向不变，又因速度方向与B的夹角也不变，故洛伦兹力的大小、方向均不发生变化，B项正确；洛伦兹力的方向一定跟电荷速度方向垂直，但电荷进入磁场的速度方向可以是任意的，因而磁场方向与电荷的运动方向的夹角也可以是任意的，故C项错误；洛伦兹力对运动电荷不做功，不改变运动电荷的动能，故D项正确．]
例2　B
[由于洛伦兹力不做功，所以从B和A到达C点的速度大小相等．由a＝可得a1＝a2.当由A运动到C时，以小球为研究对象受力分析如图甲所示，F1＋F洛－mg＝ma1.当由B运动到C时，受力分析如图乙所示，F2－F洛－mg＝ma2.由以上两式可得：F2＞F1，故B正确．]
例3　g－　－
解析　此类问题属于涉及加速度的力学问题，必定得用牛顿第二定律解决，小球受力分析如图所示，根据牛顿第二定律列出方程有
mg－μFN＝ma，①21世纪教育网
FN－qE－qvB＝0，②
所以a＝
故知v＝0时，a最大，am＝g－.
同样可知，a随v的增大而减小，当a减小到零时，v达最大，故mg＝μ(qvmB＋qE)
得vm＝－.
变式训练3　(1)负电荷　(2)3.46
m/s
解析　(1)由左手定则可知物块带负电荷．
(2)当物块离开斜面时，物块对斜面的压力FN＝0，对物块受力分析如图所示，则有F＝mgcos
30°，即
qvB＝mgcos
30°.21世纪教育网
解得　v＝3.46
m/s.
即学即练
1．B　[根据左手定则，F一定垂直于B、v；但B与v不一定垂直．]
2．D　[运动电荷在磁场中所受的洛伦兹力F＝qvBsin
θ，所以F的大小不但与q、v、B有关系，还与v的方向与B的夹角θ有关系，当θ＝0°或180°时，F＝0，此时B不一定等于零，所以A、B错误；又洛伦兹力与粒子的速度方向始终垂直，所以洛伦兹力对带电粒子不做功，粒子的动能也就不变，但粒子速度方向要改变．所以C错，D对．]
3．A　[导线在其右侧产生的磁场垂直纸面向里，由左手定则可判断电子向右偏转，因洛伦兹力不做功，故速率不变．]
4．4.8×10－17
N
解析　对质子在电场中加速过程有：qU＝
mv2①
质子在磁场中受力F＝Bqv②
由①②两式得：F＝Bq
代入数据得：F＝4.8×10－17
N.