高中物理选修3-1第三章磁场-5.磁场对运动电荷的作用（课件）

(共47张PPT)
磁场对运动电荷的作用
教学目标 演示实验 实验结果
一、洛伦兹力的方向和大小 1、洛伦兹力
2、洛伦兹力方向的判断 问题与练习
3、洛伦兹力的大小 例
洛伦兹力的计算公式 “思考与讨论”
二、电视显像管的工作原理 速度选择器
A组能力训练题1 2 3 4 5
6 7 8 9 10
B组能力训练题1 2 3 4 5 6
7 8 9（2015年海南卷1）
10 (2014年新课标卷Ⅰ 16) 11
教学目标
1、知道什么是洛伦兹力.利用左手定则判断洛伦兹力的方向.
2、知道洛伦兹力大小的推理过程.
3、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.
4、了解v和B垂直时的洛伦兹力大小及方向判断.理解洛伦兹力对电荷不做功.
5、了解电视显像管的工作原理
重点与难点：
重点：1.利用左手定则会判断洛伦兹力的方向.
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.
难点：1.洛伦兹力对带电粒子不做功.
2.洛伦兹力方向的判断.
［演示］
磁场对电流有力的作用，电流是由电荷的定向移动形成的，我们会想到：这个力可能是作用在运动电荷上的，而安培力是作用在运动电荷上的力的宏观表现.
电子射线管的原理：
阴极射线是灯丝加热放出
的电子，电子在加速电场
的作用下高速运动而形成的电子流，轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光，可以显示电子束的运动轨迹，磁铁是用来在阴极射线周围产生磁场的,还应明确磁场的方向。
阳极
阴极
荧光屏
电子束
狭缝
观察阴极射线在磁场中的偏转(图3.5-1)
实验结果
蹄形磁铁靠近电子射线管，发现电子束运动轨迹发生了弯曲。
电子束运动径迹
在没有外磁场时,电子束沿直线运动;
表明磁场对运动电荷有作用。
改变磁场的方向，电子束偏转的方向也改变。
N
S
荷兰物理学家洛伦兹首先提出：
磁场对运动电荷有作用力
一、洛伦兹力的方向和大小
1、洛伦兹力：
第五节 磁场对运动电荷的作用
运动电荷在磁场中受到的作用力称为洛伦兹力。
通电导线在磁场中所受安培力是洛伦兹力的宏观表现.
洛伦兹是荷兰伟大的物理学家，他的最重要的贡献就是他的电子论。爱因斯坦对他有很高的评价，他说他的一生受洛伦兹的影响最大，称洛伦兹是“我们时代最伟大、最尊贵的人”。
如何判断洛伦兹力的方向
①判定安培力方向.
I
I
甲
乙
②电流方向和电荷运动方向的关系.
③F安的方向和洛伦兹力方向关系.
④分析电荷运动方向、磁场方向、洛伦兹力方向的关系, 总结得出左手定则
（图甲中安培力方向为垂直电流方向向上，
乙图安培力方向为垂直电流方向向下）
（F安的方向和正电荷所受的洛伦兹力的方向相同, 和负电荷所受的洛伦兹力的方向相反.）
(电流方向和正电荷运动方向相同,和负电荷运动方向相反)
2、洛伦兹力方向的判断——左手定则
伸开左手,使大拇指和其余四指垂直,并且都与手掌在同一平面内,让磁感线从手心进入,并使四指指向正电荷运动的方向,那么拇指所指的方向就是运动的正电荷所受洛伦兹力的方向。
（1）洛仑兹力的方向跟磁场方向垂直；
负电荷所受洛伦兹力的方向与正电荷的受力方向相反。
洛仑兹力方向的特点:
（2）洛仑兹力的方向跟电荷运动方向垂直。
问题与练习 P98
1、试判断下图中所示的带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的方向.
图3.5-7 判断洛伦兹力的方向
+q
+q
+q
+q
v
v
v
v
甲
乙
丙
丁
丁中正电荷所受的洛伦兹力的方向垂直于纸面指向纸里。
甲中正电荷所受的洛伦兹力方向向上.
乙中正电荷所受的洛伦兹力方向向下.
丙中正电荷所受的洛伦兹力方向垂直于纸面指向读者.
答：
3、洛伦兹力的大小
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的磁场中.
整个导线受到的安培力为
I
B
F安
f
F安 =BIL （1）
其中 I=nqSv （2）
设导线中共有N个自由电子
每个电子受的磁场力为F，则
F安=NF （4）
由以上四式得
当v与B成θ角时， F=qvBsinθ
N=nSL （3）
F=qvB
例、
一段粗细均匀的导体长为L，横截面积为S，如图所示，导体单位体积内的自由电子数为n，电子电荷量为e，通电后, 电子定向运动的速度大小为v .
（1）请用n、e、S、v表示流过导体的电流大小I．
（2）若再在垂直导体的方向上加一个空间足够大的匀强磁场，磁感应强度大小为B，试根据导体所受安培力推导出导体中某一自由电子所受的洛伦兹力大小的表达式．
L
v
（1）导体中电流大小：
解：
t 时间内通过导体某一截面的自由电子数为
①
该时间内通过导体该截面的电量为
代入上式得：
④
②
③
L
v
安培力是洛伦兹力的宏观表现，即某一自由电子所受的洛伦兹力
式中N为该导体中所有的自由电子数
⑦
由⑥、⑦、⑧式得：
⑧
⑨
（2）该导体处于垂直于它的匀强磁场中所受到的安培力：
由④式代入⑤式得：
⑤
⑥
L
v
例
洛伦兹力的计算公式
（3）当粒子运动方向与磁感应强度方向成θ时
（1）当粒子运动方向与磁感应强度垂直时(v⊥B)
（2）当粒子运动方向与磁感应强度平行时(v∥B)
F = qvBsinθ
F = qvB
F = 0
以上两式各量的单位：
F为牛（N）, q为库仑（C）, v为米/秒（m/s）, B为特斯拉（T）
“思考与讨论”（P97）
由洛伦兹力所引起的带电粒子运动的方向总是与洛伦兹力的方向相垂直的，所以它对运动的带电粒子总是不做功的。
洛伦兹力对运动电荷不做功，只能改变电荷运动的速度方向，不会改变电荷运动的速度大小 。
二、电视显像管的工作原理
电视显像管应用了电子束磁偏转的道理。
（2）构造：由电子枪（阴极）、偏转线圈、荧光屏等组成
电子枪
偏转线圈
电子束
荧光屏
a
b
O
（1）原理：
显像管中使电子束偏转的磁场是由两对线圈产生的，叫做偏转线圈。为了与显像管的管颈贴在一起，偏转线圈做成马鞍形。
速度选择器（P98页“问题与练习”3）
v
图3.5-8 速度选择器
+q
B
E
正交的匀强磁场和匀强电场组成“速度选择器”.带电粒子（不计重力）必须以唯一确定的速度（包括大小、方向）才能匀速 ( 或者说沿直线 )通过速度选择器。否则将发生偏转。
qvB=Eq，
（在本图中，速度方向必须向右）。
这个速度的大小可以由洛伦兹力和电场力的平衡得出：
⑵若速度小于这一速度，电场力将大于洛伦兹力,带电粒子向电场力方向偏转，电场力做正功，动能将增大，洛伦兹力也将增大，粒子的轨迹既不是抛物线，也不是圆，而是一条复杂曲线；
⑴这个结论与离子带何种电荷、电荷多少都无关.
v
图3.5-8 速度选择器
+q
B
E
若大于这一速度，将向洛伦兹力方向偏转，电场力将做负功，动能将减小，洛伦兹力也将减小，轨迹也是一条复杂曲线。
A组能力训练题1
1. 一个电子穿过某一空间而未发生偏转，则 （ ）
A．此空间一定不存在磁场
B．此空间可能有方向与电子速度平行的磁场
C．此空间可能有磁场 ，方向与电子速度垂直
D．以上说法都不对
B
A组能力训练题2
2. 一束带电粒子沿水平方向飞过静止的小磁针的正上方，小磁针也是水平放置，这时小磁针的南极向西偏转，则这束带电粒子可能是 （　　）
A．由北向南飞行的正离子束
B．由南向北飞行的正离子束
C．由北向南飞行的负离子束
D．由南向北飞行的负离子束
AD
A组能力训练题3
3.电子以速度v0垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，则　 （ ）
A．磁场对电子的作用力始终不做功
B．磁场对电子的作用力始终不变
C．电子的动能始终不变
D．电子的动量始终不变
AC
A组能力训练题4
4.如图所示，带电粒子所受洛伦兹力方向垂直纸面向外的是 （ ）
A
v
v
v
v
B
B
B
B
B
C
D
C
A组能力训练题5
5.如图所示，空间有磁感应强度为B，方向竖直向上的匀强磁场，一束电子流以初速v从水平方向射入，为了使电子流经过磁场时不偏转（不计重力），则在磁场区域内必须同时存在一个匀强电场，这个电场的场强大小与方向应是 （ ）
A．B/v，方向竖直向上
B．B/v，方向水平向左
C．Bv，垂直纸面向里
D．Bv，垂直纸面向外
v
B
C
A组能力训练题6
6.如图所示，一带负电的滑块从粗糙斜面的顶端滑至底端时的速率为v,若加一个垂直纸面向外的匀强磁场，并保证滑块能滑至底端，则它滑至底端时的速率（ ）
A．变大
B．变小
C．不变
D．条件不足，无法判断
B
A组能力训练题7
7. 有一匀强磁场，磁感应强度大小为1.2T，方向由南指向北，如有一质子沿竖直向下的方向进入磁场，磁场作用在质子上的力为9.6×10-14N，则质子射入时的速度为 ,质子在磁场中向 方向偏转。
5×105m/s
东
A组能力训练题8
8．两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，则两带电粒子受洛伦兹力之比为 （　 ）
A．2:1 B．1:1　　
C．1:2　　 D．1:4
C
A组能力训练题9
9.质量为0.1g的小物块带有5×10-4C的电荷,放在倾角为300且足够长的光滑绝缘的斜面上,整个装置放在磁感应强度为0.5T的匀强磁场中,如图所示。物块由静止下滑,滑到
某个位置时离开斜面,求:
⑴物块带何种电荷
⑵物块刚离开斜面时的速度多大
⑶ 物块从静止到刚离开斜面的过程中做什么运动,斜面至少多长
30°
B
⑵离开斜面时，洛伦兹力等于重力的分力
解：
⑴物块要离开斜面,则洛伦兹力垂直斜面向上，物块带负电。
qvB=mgcos300
⑶沿斜面方向只有重力的分力，做匀加速运动，
a=gsin300=4.9m/s2,
30°
B
A组能力训练题10
医生做某些特殊手术时, 利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速度. 电磁血流计由一对电极a和b以及磁极N和S构成，磁极间的磁场是均匀的。使用时，两电极a、b均与血管壁接触，两触点的连线、磁场方向和血流速度方向两两垂直，如图所示。由于血液中的正负离子随血流一起在磁场中运动,电极a、b之间会有微小电势差。在达到平衡时,血管内部的电场可看作是匀强电场，血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力
为零。在某次监测中，两触点的距离
血流
S
测电势差
N
a
b
为3.0mm，血管壁的厚度可忽略，两触点间的电势差为160 V，磁感应强度的大小为0.040T。
则血流速度的近似值和电极a、b的正负为（ ）
A．1.3m/s ， a正、b负
B． 2.7m/s ， a正、b负
C．1.3m/s ， a负、b正
D．2.7m/s ， a负、b正
A
依据左手定则，正离子在磁场中受到洛仑兹力作用向上偏，负离子在磁场中受到洛伦兹力作用向下偏，因此电极a、b的正负为a正、b负；
当稳定时，血液中的离子所受的电场力和洛仑兹力的合力为零，则qE=qvB，可得
解：
B组能力训练题1
1．有关电荷所受电场力和洛伦兹力的说法中，正确的是（　 ）
A．电荷在磁场中一定受磁场力的作用
B．电荷在电场中一定受电场力的作用
C．电荷受电场力的方向与该处的电场方向一致
D．电荷若受磁场力，则受力方向与该处的磁场方向垂直
BD
B组能力训练题2
2．如果运动电荷在磁场中运动时除磁场力作用外不受其他任何力作用，则它在磁场中的运动可能是 （　 ）
A．匀速圆周运动
B．匀变速直线运动
C．变加速曲线运动
D．匀变速曲线运动
AC
B组能力训练题3
3.电子束以一定的初速度沿轴线进入螺线管内,螺线管中通以方向随时间而周期性变化的电流,如图所示，则电子束在螺线管中做（　 　）
A．匀速直线运动
B．匀速圆周运动
C．加速减速交替的运动　　
D．来回振动
A
B组能力训练题4
4．带电荷量为+q的粒子在匀强磁场中运动,下面说法中正确的是（　 ）
A．只要速度大小相同，所受洛伦兹力就相同 　B．如果把+q改为-q，且速度反向、大小不变,则洛伦兹力的大小不变
C．洛伦兹力方向一定与电荷速度方向垂直，磁场方向一定与电荷运动方向垂直
D．粒子只受到洛伦兹力的作用，不可能做匀速直线运动
BD
B组能力训练题5
5．如图所示，带电小球在匀强磁场中沿光滑绝缘的圆弧形轨道的内侧来回往复运动，它向左或向右运动通过最低点时 （　　 ）
A．速度相同
B．加速度相同
C．所受洛伦兹力相同
D．轨道给它的弹力相同
B
B
B组能力训练题6
6．如图所示，水平方向的匀强电场和匀强磁场互相垂直，竖直的绝缘杆上套有一带负电的小环。小环由静止开始下落的过程中，所受的摩擦力（ ）
A．始终不变
B．先增大后不变
C．先减小最后为零
D．先减小后增大，最后不变
B
E
D
B组能力训练题7
7.图中为一“滤速器”装置示意图。a、b为水平放置的平行金属板，一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔O进入a、b两板之间。为了选取具有某种特定速率的电子，可在a、b间加上电压，并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场，使所选 电子仍能够沿水平直
线OO' 运动， 由O'射出。
不计重力作用。可能达到
上述目的的办法是 ( )
A.使a板电势高于b板，磁场方向垂直纸面向里
B.使a板电势低于b板，磁场方向垂直纸面向里
C.使a板电势高于b板，磁场方向垂直纸面向外
D.使a板电势低于b板，磁场方向垂直纸面向外
O′
O
b
a
A D
解见下页
当a板电势高于b板，电场方向向下，（如左下图示）若磁场方向垂直纸面向里，电子所受的电场力和洛伦兹力方向相反，当速度满足qvB=qE 时，电子能够沿水平直线OO'运动；
解：
qvB
qE
b
O'
E
B
O
a
qE
qvB
b
O'
E
B
O
a
当a板电势低于b板，电场方向向上（如右下图示）,若磁场方向垂直纸面向外，电子所受的电场力和洛伦兹力方向均反向，当速度满足qvB=qE 时, 电子也能够沿水平直线OO' 运动。
B组能力训练题8
8.显像管原理的示意图如图所示，当没有磁场时,电子束将打在荧光屏正中的O点，安装在管径上的偏转线圈可以产生磁场，使电子束发生偏转。设垂直纸面向里的磁场方向为正方向，若使电子打在荧光屏上的位置由
a点逐渐移动到b点,下列
变化的磁场能够使电子
发生上述偏转的是（ ）
O
B0
-B0
t0
B
t
O
B0
-B0
t0
B
t
A
B
O
B0
-B0
t0
B
t
C
O
B0
-B0
t0
B
t
D
电子枪
偏转线圈
电子束
b
O
荧光屏
a
A
解见下页
电子在磁场中受到洛伦兹力作用，在洛伦兹力作用下发生偏转, 开始电子能偏到a点, 由左手定则可知，B应垂直纸面向外，B应当为负；
解：
后来电子能偏到b点，B应垂直纸面向里，B应为正，
因而本题正确选项是A.
O
B0
-B0
t0
B
t
O
B0
-B0
t0
B
t
A
B
O
B0
-B0
t0
B
t
C
O
B0
-B0
t0
B
t
D
B组能力训练题9.（2015年海南卷1）
如图，a是竖直平面P上的一点，P前有一条形磁铁垂直于P，且S极朝向a点，P后一电子在偏转线圈和条形磁铁的磁场的共同作用下，在水平面内向右弯曲经过a点。在电子经过a点的瞬间。条形磁铁的磁场对该电子的作用力的方向 （ ）
A．向上 B.向下 C.向左 D.向右
P
a
e
条形磁铁的磁感线方向在a点为垂直P向外，电子在条形磁铁的磁场中向右运动，所以根据左手定则可得，电子受到的洛伦兹力方向向上，选项A正确。
解析：
A
B组能力训练题10. （2014年新课标卷Ⅰ 16）
如图，MN为铝质薄平板，铝板上方和下方分别有垂直于图平面的匀强磁场（未画出）。一带电粒子从紧贴铝板上表面的P点垂直于铝板向上射出，从Q点穿过铝板后到达PQ的中点O，已知粒子穿越铝板时，其动能损失一半，速度方向和电荷量不变，不计重力。铝
板上方和下方的磁感应强
度大小之比为（ ）
解见下页
P
M
N
O
Q
A. 2 B. C. 1 D.
D
解析：
穿过铝板后粒子动能减半，则
根据 有
得
穿过铝板后粒子运动半径减半，则
因此
选项D正确．
B组能力训练题11
如图所示，边长为的L的正方形区域abcd中存在匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里。一带电粒子从ad边的中点M点以一定速度垂直于ad边射入磁场，仅在洛伦兹力的作用下，
正好从ab边中点N点射出磁场。
忽略粒子受到的重力，下列说
法中正确的是 （ ）
A．该粒子带负电
B．洛伦兹力对粒子做正功
C．粒子在磁场中做圆周运动的半径为L/4
D．如果仅使该粒子射入磁场的速度增大，粒子做圆周运动的半径也将变大
解见下页
M
B
a
b
c
d
N
v
D
解析:
粒子向上偏转从N点射出磁场，由左手定则得知粒子应该带正电，选项A错误；
洛伦兹力时刻与速度方向垂直，永不做功，选项B错误；
粒子在磁场中做圆周运动的半径为L/2，C错误；
由半径公式
可知，速度越大，运动的半径越大，选项D正确。
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