3.磁场对运动电荷的作用力
学 习 目 标
知 识 脉 络
1．通过实验认识洛伦兹力，知道通电导线所受的安培力是运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现．(重点)
2．会用左手定则判断洛伦兹力的方向．(难点)
3．了解电子束的偏转原理及其在技术上的应用.
一、洛伦兹力——磁场对运动电荷的作用力
1．安培力的本质
磁场对通电导线的作用实际上是对导线中运动电荷的作用力的宏观表现．
2．定义：磁场对运动电荷的作用力叫洛伦兹力．
3．洛伦兹力的方向
(1)洛伦兹力的方向遵守左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四指垂直，且处于同一平面内，让磁感线垂直穿入手心，四指指向正电荷运动的方向，这时拇指所指的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向．
(2)负电荷的受力方向与正电荷的受力方向相反．
(3)当电荷运动方向与磁感线平行时，电荷不受洛伦兹力．
二、电子束在磁场中偏转的应用
电子显像管的工作原理：磁场对运动电荷的作用使电子束在磁场中偏转，从而使电子束在显像管中展开，在一个屏幕上形成图像．
1．思考判断
(1)静止的带电粒子在磁场中也要受到洛伦兹力的作用．( )
(2)带电粒子只要在磁场中运动，就一定会受到洛伦兹力．( )
(3)电视机显像管中电子束的偏转是利用洛伦兹力．( )
(4)电子束撞击荧光屏时荧光屏会发光．( )
[提示] (1)× (2)× (3)√ (4)√
2．以下说法正确的是( )
A．运动电荷在磁场中不一定受到洛伦兹力
B．运动电荷在电场中不一定受到电场力
C．运动电荷在磁场中未受到洛伦兹力，该处的磁感应强度一定为零
D．运动电荷在电场中未受到电场力，该处的电场强度不一定为零
A [电荷的速度与磁场平行时，不受洛伦兹力，所以运动电荷在磁场中不一定受到洛伦兹力，选项A正确，C错误；根据F＝Eq可知在电场中的电荷受电场力作用，若F＝0，则E＝0，选项B、D错误．]
3．如图所示的四幅图中，正确标明了带电粒子所受洛仑兹力F方向的是
( )
C [根据左手定则：A受到的洛仑兹力垂直纸面向外，故A错误；B受到的洛伦兹力垂直纸面向里，故B错误；C受到的洛伦兹力向上，故C正确；D受到的洛伦兹力向下，故D错误．故选C．]
洛伦兹力的理解
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．洛伦兹力与安培力的共同点
(1)安培力：当I∥B时，F＝0；洛伦兹力：当v∥B时，F＝0.
(2)安培力：当I⊥B时，F＝BIl；洛伦兹力：当v⊥B时，F＝qvB．
(3)洛伦兹力与安培力的方向都是根据左手定则来判断．
3．安培力和洛伦兹力的不同点：安培力推动导体运动时，对导体做功；洛伦兹力的方向与运动电荷的速度方向垂直，对运动电荷永远不做功．
4．洛伦兹力的方向
(1)决定洛伦兹力方向的因素有三个：电荷的电性(正、负)、速度方向、磁感应强度的方向．当电荷一定，即电性一定时，其他两个因素中，如果只让一个因素的方向相反，则洛伦兹力方向必定相反；如果同时让两个因素的方向相反，则洛伦兹力方向将不变．
(2)在电荷的运动方向与磁场方向垂直时，由左手定则可知，洛伦兹力的方向既与磁场方向垂直，又与电荷的运动方向垂直，即洛伦兹力垂直于v和B两者决定的平面．
(3)电荷运动的方向v和B不一定垂直，但洛伦兹力一定垂直于磁感应强度B和速度v的方向．当B、v不垂直时，用左手定则时磁感线不再垂直穿过手心．
【例1】 (多选)如图所示是表示磁场磁感应强度B、负电荷运动方向v和磁场对电荷洛伦兹力F的相互关系图，这四个图中正确的是(B、v、F两两垂直)( )
ABC [由左手定则可判断A、B、C正确．]
做题时要看清本题考查的是负电荷所受洛伦兹力的问题．用左手定则判断负电荷所受洛伦兹力的方向时四指指向负电荷运动的反方向，这里容易弄混．
1．(多选)如图所示是表示磁场磁感应强度B、负电荷运动方向v和磁场对电荷作用力f的相互关系图，这四个图中正确的是(B、v、f两两垂直)( )
ABC [由左手定则可知四指指向正电荷运动的方向，当负电荷在运动时，四指指向的方向应与速度方向相反，由此可判断A、B、C均正确．]
电子束在磁场中偏转的应用
1．构造如图所示．
2．原理：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，电子受洛伦兹力作用发生偏转，偏转后的电子打在荧光屏上，使荧光屏发光．
3．扫描：偏转区的水平方向和竖直方向都加有偏转磁场，其方向、强弱都在不断变化，因此电子束打在荧光屏上的光点不断移动，这种现象称为扫描．
电子束从最上一行扫描到最下一行叫一场，电视机每秒要进行50场的扫描，所以人们感到整个荧光屏都在发光．
【例2】 (多选)如图所示，一阴极射线管，左侧不断有电子射出，若在管的正下方放一通电直导线AB时，发现射线的径迹向下弯曲，则( )
A．导线中的电流从A到B
B．导线中的电流从B到A
C．若要使电子束的径迹向上弯曲，可以改变AB中的电流方向来实现
D．电子束的径迹与AB中的电流方向无关
思路点拨：①先用安培定则(右手)判定导线上方的磁场方向．
②再用左手定则分析洛伦兹力的方向．但要注意四指的指向为电子运动的反向．
BC [电子在通电直导线产生的磁场中运动，无论直导线中的电流方向如何，电子的运动速度都是和磁感应强度的方向是垂直的．根据左手定则，由于是负电荷，四指应指向左方，根据电子的偏转方向可以确定磁感应强度的方向为垂直纸面向里．根据安培定则，导线中的电流方向为B到A．如果导线中的电流方向反向，则其产生磁场方向也反向，会影响到电子的偏转方向，所以本题的正确选项是B、C．]
2．如图所示，在铁环上用绝缘导线缠绕两个相同的线圈a和b，a、b串联后通入方向如图所示的电流I，一束电子从纸里经铁环中心射向纸外时，电子将
( )
A．向下偏转 B．向上偏转
C．向左偏转 D．向右偏转
B [由左手定则判断电子受向上的洛伦兹力．]
1．(多选)下列说法正确的是( )
A．运动电荷不受洛伦兹力的地方一定没有磁场
B．运动电荷受的洛伦兹力方向既与其运动的方向垂直，又与磁感线方向垂直
C．带电荷量为q的电荷，在磁场中运动速度大小不变，则所受洛伦兹力一定不变
D．洛伦兹力对运动电荷不做功
BD [洛伦兹力的大小不但与速度大小有关，还与速度方向有关，如当v∥B时F＝0，而v⊥B时F＝qvB．洛伦兹力的方向总与速度方向垂直，对运动电荷不做功．同时又总与磁感线方向垂直，故B、D正确，A、C错误．]
2．如图所示，一带负电的离子束沿图中箭头方向通过两磁极间时，它受的洛伦兹力方向( )
A．向下 B．向上
C．向N极 D．向S极
A [由图可知，磁场方向从N极指向S极，根据左手定则可知，让四指指向与正电荷运动方向相同，让磁感线穿过手心，根据大拇指的指向即可判断出洛伦兹力的方向，由此可知带负电的离子束所受的洛伦兹力的方向向下，故A正确，B、C、D错误．]
3．带电粒子M和N，先后以不同的速度沿PO方向射入圆形匀强磁场区域，运动轨迹如图所示．不计重力，下列分析正确的是( )
A．M带负电，N带正电
B．M和N都带正电
C．M带正电，N带负电
D．M和N都带负电
A [粒子向右运动，根据左手定则，N向上偏转，应当带正电；M向下偏转，应当带负电，故B、C、D错误，A正确．]
课件31张PPT。第二章 电流与磁场3.磁场对运动电荷的作用力宏观表现 运动电荷 左手 左手 垂直 平面 正电荷 拇指 相反 不受洛伦兹力 运动电荷 偏转 洛伦兹力的理解 电子束在磁场中偏转的应用 点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(六)
磁场对运动电荷的作用力
[基础达标练]
(15分钟 48分)
1．(6分)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．相对于预定地点，稍向东偏转
C．相对于预定地点，稍向西偏转
D．相对于预定地点，稍向北偏转
B [地球表面地磁场方向由南向北，质子是氢原子核，带正电．根据左手定则可判定，质子自赤道上空竖直下落过程中受洛伦兹力方向向东．]
2．(6分)(多选)如图所示为带电粒子在磁场中的运动情况，其中B、v分别为磁感应强度方向和粒子运动的速度方向，f洛为晓宇同学用左手定则判断粒子所受的洛伦兹力方向，则晓宇同学判断正确的是( )
BD [洛伦兹力的方向应垂直于带电粒子的速度方向与磁场方向所在的平面，所以A错误．由左手定则判断B正确．带电粒子速度方向和磁感应强度方向平行，不受洛伦兹力，所以C错误．由左手定则判断，其中负电荷运动方向与电流方向相反，所以D正确．]
3．(6分)有关洛伦兹力和安培力的描述，正确的是( )
A．通电直导线在匀强磁场中一定受到安培力的作用
B．安培力是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现
C．带电粒子在匀强磁场中运动受到的洛伦兹力做正功
D．通电直导线在磁场中受到的安培力方向与磁场方向平行
B [当通电直导线放置的方向与匀强磁场的方向平行时，通电直导线不受安培力的作用，则A错误；安培力是大量运动电荷所受的洛伦兹力的宏观表现，B正确；带电粒子所受的洛伦兹力的方向与粒子的速度方向始终是垂直的关系，因此洛伦兹力不做功，C错误；由左手定则可知，磁场的方向与安培力的方向垂直，D错误．]
4．(6分)一个长螺线管中通有交变电流，把一个带电粒子沿管轴线射入管中，不计重力，粒子将在管中( )
A．做圆周运动
B．沿轴线来回运动
C．做匀加速直线运动
D．做匀速直线运动
D [螺线管内部的磁场方向始终与轴线平行，带电粒子沿着磁感线运动时，不受洛伦兹力作用，所以粒子将在管中做匀速直线运动．故D对．]
5．(6分)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
B [根据左手定则，F一定垂直于B、v，但B与v不一定垂直．]
6．(6分)如图所示，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( )
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．]
7．(6分)竖直放置的螺线管通有如图所示的电流，一质子从螺线管的正上方以水平向右的速度进入该螺线管产生的磁场中，此后质子将( )
A．向上偏转 B．向下偏转
C．向纸外偏转 D．向纸内偏转
D [首先根据安培定则判断通电螺线管上边的磁场的方向向下．正电荷向右运动，根据左手定则判断可知粒子受到通电螺线管磁场的作用力的方向垂直于纸面向里，所以粒子将向纸内偏转．故A、B、C错误，D正确．]
8．(6分)一个带电粒子在匀强磁场B中所受的洛伦兹力F的方向如图所示，则该粒子所带电性和运动方向可能是( )
A．粒子带负电，向下运动
B．粒子带正电，向左运动
C．粒子带负电，向上运动
D．粒子带正电，向右运动
A [若粒子带负电，由左手定则可判断粒子运动的方向向下；若粒子带正电，由左手定则可判定粒子运动方向向上．]
[能力提升练]
(25分钟 50分)
9．(6分)宇宙射线中存在高能带电粒子，假如大气层被破坏，这些粒子就会到达地球，从而给地球上的生命带来危害，根据地磁场的分布特点，判断下列说法中正确的是( )
A．地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在南北两极最强，赤道附近最弱
B．地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在赤道附近最强，两极最弱
C．地磁场对宇宙射线的阻挡作用在地球周围各处相同
D．地磁场对宇宙射线无阻挡作用
B [当带电粒子的运动方向与磁感线的方向在一条直线上时，磁场对它没有作用力，当带电粒子的运动方向与磁感线的方向垂直时，磁场对它的作用力最大，根据地磁场的方向和宇宙射线的入射方向可以判定选项B正确．]
10．(6分)(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( )
AB [磁流体发电机是利用带电粒子在磁场中受洛伦兹力向A、B两极偏转，从而保证A、B两极间有足够的正负电荷形成电源两极；电子显像管是利用磁场中电子受洛伦兹力偏转打到荧光屏上显像；电熨斗是利用了电流的热效应；洗衣机是磁场对电流产生安培力，从而使洗衣机转动，则选项A、B正确，C、D错误．]
11．(6分)(多选)如图所示，匀强磁场沿水平方向垂直纸面向里，正、负粒子以相同的速度沿水平方向垂直射入匀强磁场时，不计粒子间相互作用力，下列说法正确的是( )
A．正粒子所受洛伦兹力方向向上
B．正粒子所受洛伦兹力方向向下
C．负粒子所受洛伦兹力方向向上
D．负粒子所受洛伦兹力方向向下
AD [磁场的方向向里，正电荷运动的方向与电流的方向是相同的，方向向右，由左手定则可知，正电荷受到的洛伦兹力的方向平行于纸面向上．故A正确，B错误．磁场的方向向里，负电荷运动的方向与电流的方向是相反的，所以负电荷的等效电流方向向左，由左手定则可知，负电荷受到的洛伦兹力的方向平行于纸面向下．故C错误，D正确．]
12．(6分)如图所示，铜质导电板置于匀强磁场中，通电时铜板中电子流方向向上，由于磁场作用，则( )
A．板左侧聚集较多电子，使b点电势高于a点电势
B．板左侧聚集较多电子，使a点电势高于b点电势
C．板右侧聚集较多电子，使b点电势高于a点电势
D．板右侧聚集较多电子，使a点电势高于b点电势
D [由左手定则判断，电子向右侧偏转．]
13．(6分)(多选)在真空环境中，原来做匀速直线运动的电子进入到与它运动方向垂直的匀强磁场中，在洛伦兹力的作用下，形成圆弧运动轨迹，下面的说法中正确的是 ( )
A．电子所受的洛伦兹力是恒力
B．进入磁场后电子动能不变
C．进入磁场后电子的速度不变
D．电子所受洛伦兹力的方向始终与运动方向垂直
BD [电子所受的洛伦兹力方向总与速度方向垂直，洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小，对电子总不做功，故B、D正确，A、C错误．]
14．(8分)如图所示，带负电物体由静止开始从粗糙斜面顶端滑到底端时的速度为v.若加上一垂直纸面向外的磁场，则滑到底端时( )
A．v变大 B．v变小
C．v不变 D．无法确定
B [加上磁场后，物体受到垂直于斜面向下的洛伦兹力作用，物体与斜面正压力变大，摩擦力变大，所以物体滑到底端时速度要变小，故选B．]
15．(8分)(多选)如图所示，在正交的匀强电场和磁场的区域内(磁场水平向里)，有一离子恰能沿直线飞过此区域(不计离子重力)( )
A．若离子带正电，E方向应向下
B．若离子带负电，E方向应向上
C．若离子带正电，E方向应向上
D．不管离子带何种电，E方向都向下
AD [可用假设法，设离子带正电，则受向上的洛伦兹力、向下的电场力，故电场方向向下；同理，若离子带负电，受向下的洛伦兹力、向上的电场力，则电场方向也向下．故A、D正确，B、C错误．]
16．(6分)电视机显示器接收到摄影信号时，电子束从荧光屏左上角开始从左向右扫描出一条水平线，之后再扫描下一条水平线，如此高频率地从上而下扫描，使荧光屏上的亮点构成了我们看到的影像，是利用了人眼的________效应．
[解析] 电子打在荧光屏上形成一个亮点，每次只打出一个图像点，要想看到连续的画面需要高频率地对整个屏幕逐点扫描，由于眼睛的视觉暂留，我们无法分辨出分立的点而是看到连续的画面．
[答案] 视觉暂留
