四、磁场对运动电荷的作用
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.理解安培力是导线中定向运动的电荷受到的洛伦兹力的宏观表现．(难点)
2．学会用左手定则判断带电粒子在磁场中运动方向的问题．(重点)
3．知道电子束的磁偏转原理及其在技术中的应用．(难点)
一、洛伦兹力
1．定义
磁场对运动电荷的力叫洛伦兹力．
2．洛伦兹力与安培力的关系
通电导线受到的安培力，是导线中定向运动的电荷受到的洛伦兹力的宏观表现．
3．洛伦兹力的方向
洛伦兹力的方向遵循左手定则．即伸开左手，使拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在同一个平面内，让磁感线穿入手心，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在磁场中所受洛伦兹力的方向；负电荷的受力方向与正电荷的受力方向相反．
二、显像管的工作原理
1．在洛伦兹力演示仪中可以观察到，没有磁场时，电子束是直进的，外加磁场以后，电子束的径迹变成圆形．磁场的强弱和电子的速度都能影响圆的半径．
2．电视机显像管中电子束的偏转利用的就是运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的原理来工作的．
3．显像管中有一个阴极，工作时它能发射电子，荧光屏被电子束撞击就能发光．电子束经过水平偏转磁场和竖直偏转磁场，且偏转磁场的强弱都在不断变化，因此电子束打在荧光屏上的光点不断移动．
1．思考判断
(1)静止的电荷在磁场中可能受洛伦兹力． (×)
(2)电荷若沿磁场方向运动不受洛伦兹力． (√)
(3)洛伦兹力的方向总是与粒子运动方向垂直． (√)
(4)电视机显像管中电子束的偏转是利用的洛伦兹力． (√)
(5)电子束撞击荧光屏时荧光屏会发光． (√)
(6)电视机显像管中若磁场加强，电子束偏转幅度变小． (×)
2．航天员若要走出舱外，所穿的宇航服必须要能阻挡宇宙射线的辐射．而射向地球的绝大多数宇宙射线，在地磁场洛伦兹力的作用下发生偏转，基本到达不了地球表面．如图所示，一束带正电粒子流(类似于宇宙射线)沿图中箭头所示方向通过两磁极间时，其偏转方向为( )
A．向上 B．向下 C．向N极 D．向S极
A [蹄形磁铁磁极之间的磁场方向由N极指向S极，带电粒子沿题图箭头的方向运动，根据左手定则，洛伦兹力方向向上，则粒子向上偏转，故A正确，B、C、D错误．]
3．(多选)关于电场力和洛伦兹力，下列说法正确的是( )
A．电荷只要处在电场中，就会受到电场力，而电荷静止在磁场中，不可能受到磁场力
B．电场对在其中的电荷一定做功，磁场对放入其中的电荷也一定做功
C．电场力和洛伦兹力一样，受力方向都在电场线和磁感线上
D．只有运动的电荷在磁场中才可能受到洛伦兹力的作用
AD [电荷在电场中一定受到电场力的作用，但只有运动的电荷在磁场中才可能受到洛伦兹力的作用，洛伦兹力永远不做功．]
4．如图所示，阴极射线管发出的电子束在阳极和阴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．垂直纸面向里偏转 D．垂直纸面向外偏转
B [带电粒子所受洛伦兹力的方向决定电子束的偏转方向，可用左手定则判定，但在运用左手定则判定洛伦兹力方向时，磁场垂直穿过手心，四指应指向电子运动的反方向，则大拇指所指的方向即为洛伦兹力的方向，方向为竖直向下，故电子束向下偏转，选项B正确．]
对洛伦兹力的理解
1.洛伦兹力与安培力的关系
通电导线受安培力是内部大量定向移动电荷受洛伦兹力的宏观表现；而洛伦兹力是安培力的微观本质．
2．洛伦兹力的作用特点
由于洛伦兹力遵守左手定则，其方向总是与电荷的运动方向垂直，因此洛伦兹力只改变速度方向不改变速度大小，对运动电荷不做功．
3．洛伦兹力和电场力的比较
洛伦兹力
电场力
性质
磁场对在其中运动电荷的作用力
电场对放入其中电荷的作用力
产生
条件
磁场中静止电荷、沿磁场方向运动的电荷不受洛伦兹力
电场中的电荷无论是静止还是沿任何方向运动，都要受到电场的作用力
方向
①方向由电荷正负、磁场方向以及电荷运动方向决定，各方向之间关系遵循左手定则
②洛伦兹力方向一定垂直于磁场方向以及电荷运动方向(电荷运动方向与磁场方向不一定垂直)
①方向由电荷正负、电场方向决定
②正电荷受力方向与电场方向一致，负电荷受力方向与电场方向相反
做功
情况
一定不做功
可能做正功，可能做负功，也可能不做功
【例1】 (多选)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．此空间可能有磁场，方向与电子速度方向平行
C．此空间可能有磁场，方向与电子速度方向垂直
D．此空间可能有正交的磁场和电场，它们的方向均与电子速度方向垂直
思路点拨：①“未发生偏转”说明电子做直线运动．
②做直线运动的条件是物体所受合力为零或合力与运动方向在一条直线上．
BD [依据对洛伦兹力的说明可知：当v的方向与磁感应强度B的方向平行时，运动电荷不受洛伦兹力的作用，带电粒子仍然以速度v做匀速直线运动．因此一个电子穿过某一空间而未发生偏转不能说此空间一定不存在磁场，只能说明此空间可能有磁场，方向与电子速度方向平行，或者说明此空间可能有正交的磁场和电场，它们的方向均与电子速度方向垂直，导致电子所受合力为零．因此，本题的正确选项为B、D.]
[注意事项]
(1)电荷在电场中一定受电场力，而在磁场中不一定受洛伦兹力．
(2)洛伦兹力方向与速度方向一定垂直，而电场力的方向与速度方向无必然联系．
1．在以下几幅图中，洛伦兹力的方向判断不正确的是( )
C [根据左手定则，垂直纸面向里的磁感线穿过手心，四指指向正电荷的运动方向向右，大拇指指向洛伦兹力的方向，判断出来洛伦兹力向上，故A正确．根据左手定则，垂直纸面向外的磁感线穿过手心，四指指向正电荷运动的方向向右，大拇指指向洛伦兹力的方向，判断出来洛伦兹力向下，故B正确．当速度与磁感线平行时，电荷不受洛伦兹力，故C错误．根据左手定则，水平向左的磁感线穿过手心，四指指向负电荷运动的反方向即向上，拇指指向洛伦兹力的方向，判断出来洛伦兹力方向垂直纸面向外，故D正确．]
显像管的工作原理
1.磁偏转
借助磁场的作用，使电子束(或其他的运动电荷)改变运动方向的现象，称为磁偏转．
2．工作原理
显像管原理示意图如图所示，显像管的最前端为荧光屏，最后端是电子枪，管颈处是两个偏转线圈．当偏转线圈未加磁场时，电子枪发出的电子束将轰击在荧光屏的中心，荧光屏的中心就出现一个亮点．当显像管接收到影像信号时，磁偏转装置就会产生一个变化的磁场，使电子束从荧光屏左上角开始向右扫描出一条水平线，之后再扫描下面一条线．如此高频率地反复扫描，并利用人眼的视觉暂留效应，使荧光屏上的亮点构成我们看到的影像．
【例2】 如图所示为显像管工作原理示意图，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)．
(1)要使电子束在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上的A点，偏转磁场应该沿什么方向？
(2)电子束打在图中的B点，偏转磁场应该沿什么方向？
思路点拨：解此题关键是电子枪发出电子带负电，应用左手定则时四指指向运动反方向．
[解析] (1)电子打到A点时，运动过程中向上偏转，由左手定则可知，偏转磁场的方向应该垂直纸面向外，电子才能打在A点．
(2)电子向下偏转，由左手定则知，偏转磁场的方向应该垂直纸面向里，电子才能打在B点．
[答案] (1)垂直纸面向外 (2)垂直纸面向里
2．如图为说明电视机显像管偏转线圈作用的示意图．当线圈中通过图示方向的电流时，一束沿中心轴线O自纸内射向纸外的电子流，将( )
A．向左偏转 B．向右偏转
C．向上偏转 D．向下偏转
B [根据左右两侧通电螺线管的电流方向，可判断出磁场的方向．在O点，磁感线的方向为竖直向上，再由左手定则判断出电子受到向右的洛伦兹力，故电子流向右偏转，B项正确．]
1．(多选)关于洛伦兹力的方向的判定，以下说法正确的是( )
A．用左手定则判定洛伦兹力的方向时，“四指指向”与电荷定向运动的方向相同
B．用左手定则判定洛伦兹力的方向时，“四指指向”与电荷运动形成等效电流方向相同
C．正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向即是该处磁场方向
D．若将在磁场中的运动电荷＋q换为－q且速度方向反向，则洛伦兹力方向不变
BD [运用左手定则时，“四指指向”应沿电荷定向移动形成的等效电流方向，而不一定沿电荷定向移动方向，因为负电荷定向移动形成电流的方向与其运动方向反向．通过左手定则所确定的洛伦兹力与磁场之间关系可知：两者方向相互垂直，而不是相互平行．]
2．如图所示，匀强磁场水平向右，电子在磁场中的运动方向水平向右，则该电子( )
A．不受洛伦兹力
B．受洛伦兹力，方向向上
C．受洛伦兹力，方向向下
D．受洛伦兹力，方向向左
A [电子运动的方向与磁场方向平行，该电子不受洛伦兹力，故以原来的速度做匀速直线运动，故A正确，B、C、D错误．]
3．(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
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相反，则其产生磁场方向也相反，会影响到电子的偏转方向，所以本题的正确选项是B、C.]
4．试判断各图中带电粒子所受洛伦兹力的方向或粒子的带电性．
[解析] (a)、(b)中已知B、v方向，由左手定则可判定洛伦兹力方向，图(a)竖直向上，图(b)垂直纸面向里，如解析图(a)、(b)所示；(c)中已知B、v和F，由左手定则可判定粒子带负电；同理(d)中由左手定则可判断洛伦兹力方向垂直纸面向里，如解析图(d)所示．
[答案] 见解析图
课件44张PPT。第二章 磁场四、磁场对运动电荷的作用运动电荷宏观表现左手左手垂直平面正电荷拇指相反圆形强弱速度运动电荷洛伦兹力电子水平竖直不断变化不断移动×√√√√×点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十) 磁场对运动电荷的作用
(时间：40分钟 分值：100分)
[基础达标练]
1．(6分)下列哪种力是洛伦兹力( )
A．电荷间的相互作用力
B．电场对电荷的作用力
C．磁铁对小磁针的作用力
D．磁场对运动电荷的作用力
D [由洛伦兹力的定义知，D正确．]
2．(6分)洛伦兹力使带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，图中均标有带正电荷粒子的运动速度v、洛伦兹力F及磁场B的方向，虚线圆表示粒子的轨迹，其中可能出现的情况是( )
A [根据速度方向和左手定则，以及洛伦兹力使带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，即洛伦兹力提供向心力，所以其中可能出现的情况只有A.]
3．(6分)如图所示，带正电的不计重力的粒子，沿水平向右的方向垂直进入磁场，关于其运动情况，下列说法中正确的是( )
A．如图中轨迹1所示 B．如图中轨迹2所示
C．如图中轨迹3所示 D．垂直纸面向里运动
A [由左手定则可知，选项A正确．]
4．(6分)匀强磁场中一个运动的带电粒子，受到洛伦兹力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 [据左手定则，让磁感线穿过掌心，拇指指向F的方向，可判断出四指向上，这样存在两种可能：粒子带正电向上运动或粒子带负电向下运动．而粒子左右运动受力沿上下方向，故A正确，B、C、D错误．]
5．(6分)关于带电粒子所受洛伦兹力F和磁感应强度B及粒子速度v三者之间的关系，下列说法中正确的是( )
A．F、B、v三者一定保持垂直
B．F一定垂直于B、v，但B不一定垂直于v
C．B一定垂直于F、v，但F不一定垂直于v
D．v一定垂直于F、B，但F不一定垂直于B
B [据左手定则可知F垂直于B、v形成的平面，即F既垂直于B，又垂直于v，但v与B的方向不一定垂直．]
6．(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．故选项D对．]
7．(6分)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
D [运动电荷在磁感应强度不为零的地方，不一定受到洛伦兹力作用，当B∥v时洛伦兹力为0，选项A、B错；洛伦兹力方向与速度方向始终垂直，因此，洛伦兹力对带电粒子不做功，它只改变粒子速度的方向，不改变速度的大小，选项C错，选项D对．]
8．(6分)如图所示的是磁感应强度B、正电荷速度v和磁场对电荷的作用力F三者方向的相关关系图(其中B垂直于F与v决定的平面，B、F、v两两垂直)．其中正确的是( )
D [利用左手定则判断三个矢量的方向是否符合左手定则的方向关系．]
[能力提升练]
9．(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，如图所示利用了此物理原理的装置有( )
A．磁流体发电机 B．电子显像管
C．回旋加速器 D．洗衣机
ABC [A、B、C三种装置都是利用了带电粒子在磁场中发生偏转的原理；D.洗衣机中的电动机，是电流在安培力的作用下转动，由电能转化为机械能，故选A、B、C.]
10．(6分)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所示，电子所受重力不计，则( )
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
A [由安培定则可知导线右边磁场方向垂直纸面向里而电子向上运动，由左手定则可知洛伦兹力方向向右，而洛伦兹力对运动电荷总是不做功，故电子速率不变，将向右偏转，故选项A正确．]
11．(6分)从太阳或其他星体上放射出的宇宙射线中都含有大量的高能带电粒子，这些高能带电粒子到达地球会对地球上的生命带来危害，但是由于地球周围存在地磁场，地磁场能改变宇宙射线中带电粒子的运动方向，对地球上的生命起到保护作用，如图所示，那么( )
A．地磁场对宇宙射线的阻挡作用各处都相同
B．地磁场对垂直射向地球表面的宇宙射线的阻挡作用在南、北两极最强，赤道附近最弱
C．地磁场对垂直射向地球表面的宇宙射线的阻挡作用在南、北两极最弱、赤道附近最强
D．地磁场会使沿地球赤道平面内射来的宇宙射线中的带电粒子向两极偏转
C [垂直射向地球的宇宙射线，在地球的南、北两极处，其运动方向与地磁场的方向基本平行，所受的洛伦兹力很小，故几乎不发生偏转；而在赤道上空时，其运动方向与地磁场垂直，所受洛伦兹力最大，带电粒子的偏转程度最大．]
12．(6分)如图所示，一细线悬吊小球在垂直于匀强磁场方向的竖直平面内摆动，C点为小球运动的最低位置，则( )
A．小球从等高的A点、B点分别摆至 C点时速度大小相等
B．小球从与A等高的B点摆至C点时比从A点摆至C点时速度大
C．如果小球带正电，则小球从A点摆至C点的速度比从 B点摆至C点时大
D．如果小球带负电，则小球从A点摆至C点的速度比从 B点摆至C点时大
A [由于洛伦兹力对运动小球不做功，所以不论是带正电还是带负电，不论是从A点或是B点摆至C点，机械能均守恒，所以选项B、C、D错，选项A对. ]
13．(14分)如图所示，如果在电子射线管上方平行于管轴放置一根载流导线，电流方向如图所示，电子射线将朝什么方向偏转？电流反向后情况会如何？想一想：为什么禁止将磁铁靠近正在播放节目的电视机？
[答案] 向下偏转 向上偏转 电视机显像是靠电子轰击荧光屏产生的，磁场将影响电子运动的轨迹，影响图像质量．
14．(14分)在垂直于纸面向外的匀强磁场中，垂直于磁场方向向上射入三束粒子a、b、c，偏转轨迹如图甲所示：
(1)确定三束粒子的电性；
(2)若加的是水平向右的匀强电场，如图乙所示，试确定三种粒子的电性．
[解析] 用左手定则不难确定存在磁场时三束粒子的电性，而换成水平向右的匀强电场时，根据电场力的特点可判定三束粒子的电性．关键是抓住洛伦兹力及电场力的不同性质．
[答案] (1)a带负电，b不带电，c带正电
(2)a带负电，b不带电，c带正电
