物理·选修1－1(粤教版)
第六节 洛伦兹力初探
?达标训练
1．磁场对电流有作用力，对这个问题进行研究并且取得成功的科学家是( )
A．奥斯特 B．安培
C．法拉第 D．洛伦兹
答案：B
2．电子通过磁场时会发生偏转，这是因为受到( )
A．库仑力的作用 B．万有引力的作用
C．洛伦兹力的作用 D．安培力的作用
解析：洛伦兹力的方向与电荷的运动方向垂直，所以电子通过磁场时会发生偏转，因此C选项正确．
答案：C
3．关于电荷所受电场力和洛伦兹力，正确的说法是( )
A．电荷在磁场中一定受洛伦兹力作用
B．电荷在电场中一定受电场力作用
C．电荷所受电场力一定与该处电场方向一致
D．电荷所受的洛伦兹力不一定与磁场方向垂直
解析：电荷在电场中一定受电场力的作用，正电荷受电场力方向与电场方向一致，静止电荷不受磁场力作用，运动电荷受磁场力作用时方向总是垂直于磁场方向．
答案：B
4．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．借助阴极射线管我们可以看到每个电子的运动轨迹
C．阴极射线管内部抽成真空
D．阴极射线管工作时，它的阴极和阳极之间存在强电场
答案：B
5．一个带正电的粒子以速度v进入匀强磁场中，速度方向与磁感线方向相同，不计重力，能正确反映粒子运动轨迹的图是( )
解析：带电粒子只有运动方向不平行于磁场时才受洛伦磁力，该粒子不受力，故选C.
答案：C
6．(多选)带电粒子在磁场中发生偏转的物理原理可运用于各种科学实验和电器中．下面利用了此物理原理的装置有( )
解析：A、B、C均利用了带电粒子在磁场中发生偏转的物理原理．
答案：ABC
7．(多选)在如下图所示的四幅图中，正确标明了带正电的粒子所受洛伦兹力F方向的是( )
解析：由左手定则可知选项A、C正确．
答案：AC
没有理解相对论的相对论先驱
洛伦兹生于1853年，他是一位多才全能的物理学家，在物理学的许多领域中都作出了极为引人注目的贡献：经典电子论的创立、“洛伦兹力”的确定、“塞曼效应”的发现与解释、洛伦兹变换的确立等都凝聚着这位物理学家一生的心血，用物理学家拉莫的话讲：“概括洛伦兹一生的工作，相当于接收到一次半世纪的物理学史全面教育，而这半个世纪曾开创了物理学的新纪元．”
洛伦兹正是生活在物理学的革命时代，一方面，以牛顿力学为基础的经典物理学渐趋完善；另一方面，新的物理现象，新的发现的出现越来越暴露了经典物理学的缺陷，人们有必要彻底修正经典物理学大厦，麦克斯韦电磁波理论的成功，麦克斯韦预言的电磁波也为赫兹等人证实，电磁波在真空中的传播速度为光速，即每秒30万千米．令人疑惑的是电磁波的传播并没有指明参照系，这与经典运动是难以一致的，为此又有人提出了“以太”介质，即认为光及电磁波的传播速度是相对于以太而言的．
为了证实以太介质的存在，科学家们在长达几十年的时间里都在寻找证据，最后迈克尔逊的实验否定了以太的存在，以太渐渐为物理学家们所摈弃，从而进入了相对论时代．洛伦兹是以太学说的支持者之一，这位颇有成就的物理学家至死都没有放弃以太的存在．在迈克尔逊实验后，为了挽救以太，摆脱实验结果造成的令人困惑的局面，1892年，他提出了“收缩假说”，即认为物质运动时，由于组成物质粒子间相互作用的变化，物质将在运动方向上缩短，从而机械性地解释了迈克尔逊的实验结果．洛伦兹还发现，当电子高速运动时，电子的质量也会随运动速度的增加而增加，而当他把“收缩理论”中的时间t用另一与运动速度有关的时间t′(洛伦兹称为“运动系统中的本地时”)取代后，他发现他的“收缩理论”就呈现出一种和谐的美，这种空间收缩及时间的变换关系就是洛伦兹变换，它适用于一切惯性坐标系．
在洛伦兹变换提出一年后(1905年)，爱因斯坦就创立了狭义相对论，从本质上揭示了时间与空间、物质和运动、质量和能量、动量和能量的统一性，其中很多结论与洛伦兹是相同的，以至于英国数学、物理学家惠特克把相对论的功绩全部归之于洛伦兹．然而物理本性上，洛伦兹理论是以以太为参考系，他所引进的时间t′仅作为数学上的一个辅助量，而没有赋给它真实的物理含意．事实上，在爱因斯坦提出相对论后，洛伦兹一直不承认相对论，当很多事实证实相对论的正确性时，他虽表示祝贺和赞誉爱因斯坦，但一定也不理解，他在相对论时代生活了20多年(1928年去世)，但至死都没有理解相对论．
课时分层作业(六)
[基础达标练]
(15分钟 50分)
一、选择题(本题共6小题，每小题7分)
1．带电荷量为＋q的粒子，在匀强磁场中运动，下面的说法中正确的是( )
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，速度反向且大小不变，则洛伦兹力的大小、方向均不变
C．只要带电粒子在磁场中运动，它一定受到洛伦兹力作用
D．带电粒子受到洛伦兹力越小，则该磁场的磁感应强度越小
B [影响洛伦兹力大小的因素有电荷量、速度大小、磁感应强度的大小及速度与磁感应强度的方向关系，A错误；由左手定则可知，洛伦兹力方向不变，速度、电荷量大小不变，则洛伦兹力大小也不变，B正确；当磁场方向与运动方向平行时，F＝0，C错误；磁感应强度由磁场本身的性质决定，与洛伦兹力的大小无关，D错误．]
2．带电粒子以一定的速度垂直射入匀强磁场中，(不计粒子的重力)带电粒子在磁场中将做( )
A．匀速直线运动
B．匀加速直线运动
C．匀速圆周运动
D．无法确定
C [带电粒子在匀强磁场中仅受洛伦兹力，洛伦兹力始终与速度方向垂直，只改变速度的方向，不改变速度的大小，因而做匀速圆周运动，故C正确．]
3．如图1-6-6所示，一束带电粒子沿着通有电流的螺线管的轴线射入管内，则粒子在管内的运动状态是( )
图1-6-6
A．匀速直线运动
B．匀加速直线运动
C．匀减速直线运动
D．因不知电流方向，无法判断
A [螺线管内部为匀强磁场，方向与轴线平行．带电粒子沿轴线射入，速度与磁场平行，不受洛伦兹力，做匀速直线运动．]
4．关于带电粒子在匀强电场和匀强磁场中的运动，下列说法正确的是( )
A．带电粒子沿电场线射入电场，电场力对带电粒子一定做正功，粒子动能增加
B．带电粒子垂直于电场线方向射入电场，电场力对带电粒子不做功，粒子动能不变
C．带电粒子沿磁感线方向射入磁场，洛伦兹力对带电粒子一定做正功，粒子动能增加
D．不管带电粒子怎样射入磁场，洛伦兹力对带电粒子都不做功，粒子动能都不变
D [带电粒子沿电场线射入电场，因粒子电性未知，故电场力可能做正功，也可能做负功，粒子动能变化也不确定；粒子垂直电场线射入电场，粒子在电场力作用下做类平抛运动，电场力做正功，粒子动能增加；带电粒子射入磁场，由于洛伦兹力始终与速度垂直不做功，粒子动能不变．所以D正确．]
5．在以下几幅图中，洛伦兹力的方向判断正确的是( )
B [根据左手定则可判断A中的粒子所受洛伦兹力的方向竖直向下，B中粒子所受洛伦兹力的方向竖直向上，C中粒子的运动方向与磁场方向一致，不受洛伦兹力的作用，D中粒子所受洛伦兹力的方向垂直于纸面向外．]
6．汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子．如图1-6-7所示，把电子射线管(阴极射线管)放在蹄形磁铁的两极之间，可以观察到电子束偏转的方向是( )
图1-6-7
A．向上 B．向下
C．向左 D．向右
B [根据左手定则可判断电子所受洛伦兹力的方向向下．]
二、非选择题(8分)
7．如图1-6-8所示，一个带正电的粒子以速度v1在xOy平面内运动时，它所受匀强磁场B的洛伦兹力F洛1的方向指向z轴负方向，如果此粒子以速度v2沿z轴正向运动，则粒子所受洛伦兹力F洛2的方向指向x轴正向，由此可知B的方向________．
图1-6-8
[答案] 指向y轴负方向
[能力提升练]
(25分钟 50分)
一、选择题(本题共4小题，每小题7分)
1．如果运动电荷除磁场力外不受其他任何力的作用，则带电粒子在磁场中做下列运动可能成立的是( )
A．做匀速直线运动
B．做匀变速直线运动
C．做变加速直线运动
D．做匀变速曲线运动
A [当v∥B时，f＝0，故运动电荷不受洛伦兹力作用而做匀速直线运动．当v与B不平行时，f≠0且f与v恒垂直，即f只改变v的方向，故运动电荷做匀速圆周运动．]
2．(多选)来自宇宙的质子流，以与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一点，则这些质子在进入地球周围的空间时，将 ( )
A．竖直向下沿直线射向地面
B．相对于预定点向东偏转
C．做曲线运动
D．相对于预定点，稍向北偏转
BC [地球表面地磁场方向由南向北，质子带正电，由左手定则可判定，质子自赤道上空竖直下落过程中所受洛伦兹力方向向东，将偏东做曲线运动．]
3．(多选)如图1-6-9所示是一只阴极射线管，左侧不断有电子射出．若在管的正下方放一通电直导线AB，发现射线的径迹往下偏，则( )
图1-6-9
A．导线中的电流由A流向B
B．导线中的电流由B流向A
C．若要使电子管的径迹往上偏，可以通过改变AB中电流的方向来实现
D．电子束的径迹与AB中的电流方向无关
BC [因为AB中通有电流，所以阴极射线管中会有磁场．电子是因为在磁场中受到洛伦兹力的作用而发生偏转的．由左手定则可知，阴极射线管中的磁场方向垂直于纸面向里，又根据安培定则可知，AB中的电流方向应是由B流向A，B正确，A错误；当AB中的电流方向由A流向B，则AB上方的磁场方向变为垂直于纸面向外，电子所受洛伦兹力变为向上，电子束的径迹会变为向上偏转，由以上可见粒子的运动径迹与AB中的电流方向有关，C正确，D错误．]
4．如图1-6-10所示，一带负电的粒子从上向下射入相互垂直的匀强电场和匀强磁场并存的区域，磁感应强度为B，若使该粒子做匀速运动，电场强度方向应(不计重力)( )
图1-6-10
A．与磁场方向平行且向里
B．与磁场方向平行且向外
C．与磁场方向垂直且向左
D．与磁场方向垂直且向右
C [由左手定则可知，此粒子所受洛伦兹力方向水平向左，要使粒子做匀速运动，粒子所受电场力应向右，由于粒子带负电，故电场强度方向与磁场方向垂直且向左．]
二、非选择题(本题共2小题，共22分)
5．(8分)如图1-6-11所示为磁流体发电机示意图，若飞入的等离子体均为一价离子，则打在下极板的是什么性质的离子？
图1-6-11
[解析] 由左手定则可以判断正电荷向下偏转，负电荷向上偏转，所以打在下极板的是带正电离子．
[答案] 正电离子
6．(14分)如图1-6-12为电视机显像管原理示意图，没有磁场时电子束打在荧光屏正中的O点．为使电子束偏转，在管颈区域加有偏转磁场(由偏转线圈产生)．请回答下列问题：
图1-6-12
(1)电子束在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上的A点，偏转磁场应沿什么方向？
(2)电子束打在图中的B点，偏转磁场应沿什么方向？
(3)如果要使电子束打在荧光屏上的位置由中心O逐渐向A点移动，偏转磁场的强弱应该怎样变化？
[解析] (1)由左手定则可判断出偏转磁场垂直纸面向外．
(2)由左手定则可判断出偏转磁场垂直纸面向里．
(3)如果要使电子束打在荧光屏上的位置由中心O逐渐向A点移动，应逐渐增大电子受到的洛伦兹力．因带电粒子通过磁场的区域越强，其偏转程度越大，所以磁感应强度应逐渐增大．
[答案] 见解析
