第六节 洛仑兹力初探
1．教学目标
（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，会用左手定则判断洛伦兹力的方向。
（2）经历由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。会计算洛伦兹力的大小。
（3）知道电视显像管的基本构造以及它工作的基本原理。
２．教材分析与教学建议
洛伦兹力的方向和大小是本节教材的重点，实验结合理论探究洛伦兹力方向，再由安培力的表达式推导出洛伦兹力的表达式的过程是培养学生逻辑思维能力的好机会，一定要让全体学生都参与这一过程。教材在思考与讨论中提出的逻辑线索实质上是为推导过程铺设的台阶，教师也可以根据学生的实际情况灵活铺设台阶，要让不同层次的学生在讨论中都有比较深刻的感受。
“洛伦兹力的方向与带电粒子的运动方向有什么关系？洛伦兹力对带电粒子的速度有什么影响？洛伦兹力对带电粒子做的功是多少？”教材提出这样三个问题供学生思考与讨论，是新课标教材重视“过程与方法”教学目标的体现。课堂教学中可以组织学生开展小组讨论，然后通过交流发言得出正确结论。
（1）洛伦兹力的方向
演示实验不仅能够让学生确信洛伦兹力的存在，而且可以通过实验发现洛伦兹力的方向与磁场方向和电荷的运动方向都有关系，探究出它们之间的关系能成为“安培力是洛伦兹力的宏观表现”的一个佐证。同时，这个演示实验让肉眼看不到的电子显现出径迹，让学生可以亲眼观察磁场使电子径迹发生弯曲的现象，可以大大激发起学生的好奇心和求知欲，甚至有的学生由此能树立从事科学研究的人生志向。因此做好这个演示实验十分重要。应充分发挥演示实验的作用，结合对安培力方向的复习，使研究洛伦兹力方向的过程成为一个科学猜象、逻辑思维、实验证实、归纳讨论的过程。
教学片段：
①根据磁场对电流有作用力而对未通电的导线没有作用力，根据电流形成的知识分析提出猜想：磁场对电流作用力的实质是磁场对运动电荷的作用力。
②介绍阴极射线管，演示阴极射线在磁场中的偏转。此时学生的注意力很可能停留在电子束的偏转上，不会注意磁场的方向。
③要求学生上台实验，使阴极射线向上（或下）偏转，让学生思考磁场应怎样放置。或者不作具体要求直接让有兴趣的学生上台来重复刚才的实验，可能会看到不同的现象，比如因磁场上下方向使电子束前后方向偏转而打不到荧光板上等等，引导学生分析原因，引出洛伦兹力方向的判断。
④根据前面对安培力实质的猜想和安培力方向的判定法则，猜想洛伦兹力方向应垂直于电荷运动方向和磁场方向，并用左手定则判断。具体到实验中，要看到上下方向偏转的电子束，磁场应前后方向放置，并猜想电子束的偏转方向。
⑤实验验证，引导学生注意到左手定则判断洛伦兹力方向是要注意电子束的运动方向与电流方向是相反的。
⑥归纳洛伦兹力的方向。说明“安培力实际是洛伦兹力的宏观表现”。
与安培力的方向一样，培养学生的空间想象能力仍然是学好本节的关键。应帮助学生建立三维空间模型（必要时可借助一些实物工具如墙角、笔、尺等），充分发挥立体图和各种剖面图的作用。同时由于我们的习题和例题大多数是洛伦兹力方向、电荷的运动方向、磁感应强度方向是两两垂直的，应该防止学生在解决实际问题时误以为洛伦兹力方向、电荷的运动方向、磁感应强度方向一定是两两垂直的。可结合教材图3.5-2强调——洛伦兹力的方向一定与电荷的运动方向和磁感应强度的方向都垂直，但电荷的运动方向与磁感应强度方向可以成任意角度。当电荷的运动方向与磁感应强度方向垂直时，洛伦兹力最大，当电荷的运动方向与磁感应强度方向平行时，洛伦兹力最小等于零。
（2）洛伦兹力的大小
教材“思考与讨论”揭示了推导洛伦兹力大小计算公式的思路。先明确推导的出发点：“安培力实际是洛伦兹力的宏观表现――即一段导线所受安培力等于该段导线内所有电荷定向移动所受洛伦兹力的合力”；其次建立推导的物理模型：长为L的静止的通电导线，它受到的安培力除以导线内定向移动的带电粒子数目N (N=nLs)；再考虑推导的目标：洛伦兹力大小可能与哪些因素有关，表达式中那些物理量不应该出现，从而找到电流为I与带电粒子运动速度v的数量关系（I=nqvs）。抓住了上述线索，思考与讨论就有了方向，教师应该根据学生的讨论进度适时进行点拨，让学生体会推导的思维线索和逻辑过程，不仅知道“要这样做”，更知道“为什么这样做”，避免教师或优秀学生的“推导表演”。
洛伦兹力的计算公式F=qvB是在导线与磁场垂直的情况下导出的，这一公式仅适用于的情况，如果电荷的运动方向与磁场方向不垂直，应该怎么处理？这个问题应该由学生自己解决，也不必再增加一个公式F=qvBsinθ。
教材旁批由运动电荷所受的洛伦兹力出发来定义磁感应强度（实际上有些物理教材就是这样定义磁感应强度的，如新概念高中物理读本），不仅拓展了学生的视野，更重要的是揭示了磁现象的电本质：把与相比较，它们都是用比值的方法定义的物理量，但磁场只与运动的电荷有关；静止的电荷只能产生电场，而运动的电荷不仅产生电场而且产生磁场。可结合旁批让学生对电场和磁场、电场力和洛伦兹力作对比。
洛伦兹力对运动电荷不做功是一个非常重要的结论，这一结论也应该由学生通过讨论自己得出。
（3）电视显像管的工作原理
新教材增加这部分内容体现了物理知识与科学技术的联系，这一类内容都不必深究技术细节，重点是此技术中应用了哪些物理原理。
电视显像管中，电子枪应用了热电子发射和加速电子的原理，偏转线圈应用了磁场对运动电荷的洛伦兹力原理。判断电子束的偏转方向实际上是左手定则的具体应用，判断时应该要求学生把左手放到图3.5-4上，由于运动的是电子，学生判断失误的概率不小，正好利用这一情景强调左手的四指方向应该与正电荷的运动方向一致，四指方向应与负电荷的运动方向相反。
电子技术中的扫描应用的物理原理是运动的合成，只要说明电子的水平分运动是竖直方向的磁场控制的，电子的竖直分运动是水平方向的磁场控制的，其余细节不必深究。
３．问题与练习
（1）内容分析
本节的5道练习都围绕洛伦兹力的大小和方向向展开，第1题是应用左手定则最的基本的练习，第2题是计算洛伦兹力大小的最基本练习。第3、第4题分别以速度选择器和磁流体发电为背景，检测学生应用左手定则和洛伦兹力计算公式的能力。第5题讨论简单的扫描问题。其中第3、第4题是重点习题，应该特别关注。
（2）解答与说明
1．答：A图中运动电荷所受洛伦兹力的方向在纸面内向上；B图中运动电荷所受洛伦兹力的方向在纸面内向下；C图中运动电荷所受洛伦兹力的方向垂直纸面指向读者；D图中运动电荷所受洛伦兹力的方向垂直纸面背离读者。
2．答：由F=qvB可知,F=1.6×10-19×3.0×106×0.10=4.8×10-14N。
3．答：能够通过速度选择器的带电粒子必须作直线运动，而直线运动的带电粒子是沿电场中的等势面运动，静电力对带电粒子不做功，洛伦兹力对带电粒子不做功，所以粒子一定作匀速运动。洛伦兹力与静电力等大反向，qE=qvB，故。
还应该带领学生讨论下列问题：（1）如果粒子所带电荷变为负电荷，仍从左向右入射，此装置是否还能作为速度选择器用？（2）如果带电粒子从右向左入射，此装置是否能作为速度选择器用？（3）如果把此装置中的电场和磁场方向同时反向，此装置是否可以作为速度选择器用？如果可以则粒子应该从哪个方向入射？
4．答：等离子体进入磁场，正离子受到的洛伦兹力的方向向下，所以正离子向B板运动，负离子向A板运动。（1）B板是发电机的正极。（2）在洛伦兹力的作用下，正负电荷会分别在B、A两板上积聚，与此同时A、B两板间会因电荷的积聚而产生由B指向A的电场，这一电场对带电粒子的静电力与带电粒子所受的洛伦兹力的方向相反。如果外电路断开，当qE=qvB成立时，A、B两板间的电压最大值就等于此发电机的电动势，即U=Ed=dvB，所以此发电机的电动势为dvB。
5．答：荧光屏上只有一条水平的亮线，说明电子束在竖直方向的分运动停止了。故障可能是在显像管的偏转区产生水平方向的磁场的线圈上没有电流通过。应该注意的是，水平方向的磁场使电子束产生竖直方向的分运动，而竖直方向的磁场使电子束产生水平方向的分运动。
第六节 洛伦兹力初探
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.了解什么是洛伦兹力．
2．知道洛伦兹力的应用．(重点)
3．会判断洛伦兹力的方向．(重点、难点)
[自 主 预 习·探 新 知]
[知识梳理]
一、磁场对运动电荷的作用
1．洛伦兹力的定义：磁场对运动电荷的作用力．
2．洛伦兹力的方向：洛伦兹力的方向与磁场方向垂直，与运动电荷的运动方向垂直．电视机的显像管正是利用洛伦兹力来工作的．
二、磁偏转与显像管
1．磁偏转：借助垂直于电子束运动方向的磁场使电子束改变方向或者发生偏转的方法称为磁偏转．
2．显像管的结构：主要由电子枪、线圈、荧光屏和玻璃屏幕四部分组成．
[基础自测]
1．思考判断
(1)洛伦兹力的方向与磁场方向平行．(×)
(2)洛伦兹力将使粒子的速度变大．(×)
(3)静止的带电粒子在磁场中也要受到洛伦兹力的作用．(×)
(4)在显像管中，电子受洛伦磁力的作用，径迹发生偏转．(√)
(5)回旋加速器的加速电压越大，带电粒子获得的最大动能越大．(×)
(6)电子撞击荧光屏时荧光屏会发光．(√)
[提示] (1)洛伦兹力的方向与磁场方向垂直．
(2)洛仑兹力不改变速度的大小．
(3)静止的带电粒子在磁场中不受洛仑兹力的作用．
(5)回旋加速器使带电粒子获得的最大动能与加速电压无关．
2．关于运动电荷和磁场的说法中，正确的是( )
A．运动电荷在某点不受洛伦兹力作用，这点的磁感应强度必为零
B．电荷的运动方向、磁感应强度方向和电荷所受洛伦兹力的方向一定互相垂直
C．电子射线由于受到垂直于它的磁场作用而偏转，这是因为洛伦兹力对电子做功的结果
D．电荷与磁场没有相对运动，电荷就一定不受磁场的作用力
D [运动电荷处于磁感应强度为零处，所受洛伦兹力为零，但当运动电荷的速度方向和磁场方向一致时(同向或反向)也不受洛伦兹力的作用；运动电荷受到的洛伦兹力垂直于磁场方向和电荷运动方向所决定的平面，即洛伦兹力既垂直磁场方向，也垂直于电荷的运动方向，但磁场方向和电荷运动方向不一定垂直；因为洛伦兹力一定垂直于电荷的运动方向，所以洛伦兹力永远不做功；运动电荷受洛伦兹力的作用，这里的运动应是与磁场的相对运动．]
3．如图1-6-1为阴极射线管的结构示意图，阴极射线发出的电子束在阴极和阳极间强电场的作用下沿直线运动，如果在射线管所在区域内加上垂直纸面向里的匀强磁场，则电子束的偏转方向为( )
图1-6-1
A．向上偏转 B．向下偏转
C．向纸内偏转 D．向纸外偏转
B [带电粒子所受洛伦兹力的方向可用左手定则判定．在用左手定则判定洛伦兹力方向时，四指应指向电子运动的反方向，磁场垂直穿过手心，则大拇指所指的方向即为洛伦兹力的方向．]
[合 作 探 究·攻 重 难]
洛伦兹力的方向
1．洛伦兹力方向与安培力方向的确定是一样的，都是由左手定则判定．判断洛伦兹力的方向时一定要注意F垂直于v与B所决定的平面．
2．当运动电荷的速度v的方向与磁感应强度的方向平行时，运动电荷不受洛伦兹力作用，仍以初速度v做匀速直线运动．而磁场中静止的电荷也不受洛伦兹力的作用．导体平行磁场方向放置时，定向运动的电荷不受洛伦兹力，所以导体也不受安培力．
3．洛伦兹力对运动电荷永不做功，而安培力对运动导体却可以做功．由于洛伦兹力F始终垂直于电荷速度v的方向，不论电荷做什么性质的运动，也不论电荷是什么样的运动轨迹，F只改变v的方向，并不改变v的大小，所以洛伦兹力对运动电荷不做功．
如图所示的磁感应强度B、电荷的运动速度v和磁场对电荷的作用力F的相互关系图中，画得正确的是(其中B、F、v两两垂直)( )
A B C D
C [由于B、F、v两两垂直，根据左手定则得：A、B、D选项中电荷所受的洛伦兹力都与图示F的方向相反，故A、B、D错误，C正确．]
确定洛伦兹力的方向需明确运动电荷的电性，特别注意负电荷的运动方向与左手四指的指向应相反.
[针对训练]
1．带正电荷q的粒子(不计重力)进入匀强磁场中，能在磁场中受力发生垂直纸面向里偏转的是( )
D [选项A、B中电荷运动方向与磁场方向平行不受洛伦兹力．由左手定则知，C项中电荷受洛伦兹力垂直纸面向外，D项电荷受洛伦兹力垂直纸面向里．]
带电粒子在磁场中偏转及其应用
1．电视机显像管原理
显像管由电子枪(应用热电子发射和电场加速的原理，发出高速电子束)、线圈(利用电流的磁效应产生磁场)、荧光屏(荧光物质在高速电子的轰击下发光)和玻璃屏幕(保护作用)四部分组成(如图1-6-2)．
图1-6-2
电子枪产生的高能电子束，穿过磁偏转线圈产生的磁场时，受洛伦兹力的作用，运动径迹发生偏转，打在荧光物质上，产生亮点．通过受视频信号控制的偏转线圈中的电流的变化改变磁场，屏上的亮点的位置随之改变．
彩色显像管中三支电子枪同时工作或一支电子枪同时发出三束电子．
2．回旋加速器
美国物理学家劳伦斯于1932年发明．其结构如图1-6-3所示，核心部件为两个D形盒(加匀强磁场)和其间的夹缝(加交变电场)．
图1-6-3
(1)磁场的作用：带电粒子以某一速度从D形盒中心附近垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，带电粒子每次进入D形盒都运动相同的时间(半个周期)后沿平行电场方向进入夹缝的电场．带电粒子被加速后在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径增大，但周期却不变．(如图1-6-4)
图1-6-4
(2)电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的夹缝区域存在周期性变化的并垂直于两个D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速．
(3)交变电压的作用：为保证带电粒子每次经过夹缝时都被加速，使之能量不断提高，需在夹缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压．
显像管是电视机中的一个重要元件，如图1-6-5为电视机显像管的偏转线圈示意图，圆心墨点表示电子枪射出的电子，它的方向由纸内指向纸外，当偏转线圈通以图示方向的电流时，电子束应( )
图1-6-5
A．向左偏转 B．向上偏转 C．不偏转 D．向下偏转
思路点拨：①由安培定则判断O点处磁场方向．
②由左手定则判断电子受洛伦兹力的方向．
B [由安培定则判断电子所在处的磁场方向水平向左，再由左手定则判断运动的电子受洛伦兹力方向向上．选项B正确．]
?1?洛伦兹力方向垂直磁场方向，也垂直于速度方向.
?2?显像管工作原理是磁场使电子束发生偏转.
[针对训练]
2．回旋加速器中( )
A．电场和磁场同时用来加速带电粒子
B．只有电场用来加速带电粒子
C．电场和磁场用来防止外界粒子进入回旋加速器
D．一带电粒子不断被加速的过程中，交变电源的电压也要不断增大
B [回旋加速器中电场是用来加速带电粒子的，且交变电源的电压不需要改变；而磁场是用来让粒子做匀速圆周运动的，以便粒子周期性地进入电场被加速．]
[当 堂 达 标·固 双 基]
1．关于电荷在磁场中的受力，下列说法中正确的是( )
①静止电荷一定不受洛伦兹力作用，运动电荷也不一定受洛伦兹力作用
②洛伦兹力的方向不可能与磁场方向平行
③洛伦兹力的方向与带电粒子运动的速度方向有可能平行
④粒子运动的方向与磁场不垂直时，一定不受洛伦兹力作用
A．①② B．②③
C．③④ D．①④
A [静止电荷不受洛伦兹力，而运动电荷只有当其运动方向与磁场方向不平行时才受洛伦兹力，并且洛伦兹力方向一定与速度方向垂直，故A正确．]
2．对阴极射线管的认识，下列说法错误的是( )
A．阴极射线管是用来观察电子束运动轨迹的装置
B．阴极射线管内部抽成真空
C．借助阴极射线管我们可以看到每个电子的运动轨迹
D．阴极射线管工作时，它的阴极和阳极之间存在强电场
C [运动的电子是用肉眼看不到的，在阴极射线管中我们是借助大量电子轰击荧光物质发光来观察电子束运动径迹的，但不是一个电子的轨迹．]
3．如图所示，表示磁场感应强度B，电流I，安培力F的相互关系图，哪个图不正确( )
D [安培力的方向由左手定则判定：伸开左手，使大姆指跟其余四个手指垂直，并且跟手掌在同一平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，并使伸开的四指指向电流方向，那么，大拇指所指的方向，就是通电导线在磁场中的受力方向．]
课件31张PPT。第一章 电与磁第六节 洛伦兹力初探运动电荷垂直垂直垂直方向偏转电子枪线圈荧光屏玻璃屏幕×××√×√洛伦兹力的方向 带电粒子在磁场中偏转及其应用 谢谢观看
