(共35张PPT)
第2章 打开电磁联系的大门
第2章 打开电磁联系的大门
新知初探,自学导引
梳理知识·夯实基础
要点突破·思维启动
突破疑难·讲练提升
典题示例·讲练互动
以例说法·触类旁通
B
B
C
D(共29张PPT)
粒子源发出不同粒子}电性不同}进入同磁场
B不偏一B不带电
A向左偏}根据左手定则}-A带正电
C向右偏(根据左手定则-C带负电
B、C正确电子束偏转的奥秘
1．通过实验，认识运动电荷在磁场中受到的洛伦兹力． 2．知道影响洛伦兹力大小和方向的因素．当电荷的运动方向与磁场方向垂直时，会运用左手定则判断洛伦兹力的方向，会计算特殊情况下洛伦兹力的大小． 3．了解磁偏转在技术上、科学上的应用，了解质谱仪、回旋加速器的工作原理．
一、洛伦兹力
1．磁场对运动电荷的作用力叫洛伦兹力．洛伦兹力可以使带电粒子发生偏转．
2．当运动方向与磁场垂直时洛伦兹力的大小：f＝qvB．
二、洛伦兹力的方向
1．左手定则：伸开左手，使拇指跟其余四指垂直，且处于同一平面内．让磁感线垂直穿过手心，四指指向正电荷运动的方向(如是负电荷，则四指指向负电荷运动的反方向)，拇指所指的方向就是洛伦兹力的方向．
2．洛伦兹力的方向处处垂直于运动电荷的速度，它只改变运动电荷速度的方向，不改变运动电荷速度的大小，垂直于磁场射入的电子在洛伦兹力作用下做圆周运动．
三、磁偏转的应用
1．分离放射线
放射物质衰变时，会从原子核内发射三种射线：一种叫α射线，由带正电的氦原子核(He)组成；一种叫β射线，是带负电的高速电子流；还有一种叫γ射线，是不带电的光子流．
图中a、b、c各是什么粒子？
提示：a为β粒子，b为γ射线，c为α粒子．
2．质谱仪：质谱仪是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的精密仪器．
3．回旋加速器
加速器是使带电粒子获得高能量的设备．
一、对洛伦兹力的理解
1．洛伦兹力是矢量，既有大小又有方向
洛伦兹力的大小与电荷在磁场中的运动方向有关．
同一电荷，按不同方向在同一磁场中运动，如图所示
三种情况下，运动方向与磁场垂直时洛伦兹力最大，取为fmax；当运动方向与磁场方向平行时，洛伦兹力最小，f＝0；其它情况下0＜f＜fmax．洛伦兹力的方向可用左手定则判定．
(1)通电直导线在磁场中所受的安培力的实质是导体内的运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现．
(2)洛伦兹力f始终垂直于电荷的运动速度v的方向，所以f只改变v的方向，并不改变v的大小，因此，洛伦兹力对运动电荷永不做功．
2．洛伦兹力和电场力的比较
洛伦兹力 电场力
性质 磁场对在其中运动的电荷的作用力 电场对放入其中的电荷的作用力
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 电场中的电荷无论静止，还是沿任何方向运动都要受到电场力
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相同，负电荷受力方向与电场方向相反
做功情况 不做功 可能做正功，可能做负功，也可能不做功
即时应用?(即时突破，小试牛刀)
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．带电粒子沿电场线方向射入，电场力一定对带电粒子做正功，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，洛伦兹力对带电粒子做正功，粒子动能一定增加
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，粒子动能不变
解析：选D．带电粒子在电场中受到的电场力F＝qE，F只与E有关，与运动状态无关，电场力做正功还是做负功由电场力与位移的夹角决定，故A错；带电粒子只要垂直电场线射入，不论正电荷还是负电荷，电场力都做功，故B错；带电粒子不论怎样射入磁场，洛伦兹力都不做功，故C错，D对．
二、电子束的磁偏转及其作用
1．电子束的磁偏转
电子束在磁场中运动时，若速度方向与磁场方向垂直，根据左手定则，运动电荷所受洛伦兹力方向始终与其速度方向垂直．因此洛伦兹力不能改变运动电荷速度的大小，只能改变运动的方向，使其发生偏转．电荷将做匀速圆周运动．
2．显像管的工作原理
(1)显像管原理示意图如图所示
(2)工作原理：显像管工作时，阴极发射电子，加速后电子在偏转电场、磁场作用下打到荧光屏上不同位置，荧光屏因大量电子撞击发光而形成图像．
三、带电粒子在磁场中的运动
垂直进入磁场中的运动电荷在磁场中做匀速圆周运动．
运动半径：洛伦兹力充当向心力qvB＝m，得出半径公式：R＝．
运动周期：根据T＝得出周期公式：T＝．
题型1 洛伦兹力方向的判断
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)( )
[思路点拨] 应用左手定则解决三者间方向的问题时，特别要注意“其余四指”的指向．
[解析] 由左手定则可判断A、B、C正确．
[答案] ABC
本题易错选D项．应用左手定则判断洛伦兹力的方向时，四指指向正电荷运动方向，由于读题不认真误将负电荷当成正电荷．
1．来自宇宙的带有正、负电荷的粒子流，以与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一点，则这些粒子在进入地球周围的空间时，下列说法正确的是( )
A．正离子将相对于预定地点向东偏转
B．负离子将相对于预定地点向东偏转
C．正离子将相对于预定地点向西偏转
D．负离子将相对于预定地点向西偏转
解析：选AD．地球表面地磁场方向由南向北，垂直于地球表面射向赤道的正、负粒子，由左手定则知正粒子受力方向向东，负粒子受力方向向西，因此，选项A、D是正确的．
题型2 带电粒子在磁场中的运动
一带电粒子，沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场，粒子的一段径迹如图所示，径迹上每一小段都可以看成圆弧，由于带电粒子使沿途空气电离，粒子的能量逐渐减小(电荷量不变)则可判定( )
A．粒子从a到b运动，带正电
B．粒子从b到a运动，带正电
C．粒子从a到b运动，带负电
D．粒子从b到a运动，带负电
[思路点拨] 粒子的能量减小，导致粒子运动的半径变化，由左手定则判定粒子运动的速度方向及所带电荷的正负．
[解析] 粒子的能量减小→动能减小→速度减小，由R＝可知：v减小，半径R减小，粒子从b到a，根据左手定则可判定速度方向沿切线方向，所以粒子带正电．故选B．
[答案] B
带电粒子垂直进入磁场，仅在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动．可根据粒子的运动轨迹判断f洛的方向．进而结合左手定则判断粒子的电性．
2．如图所示，在长直导线中有恒定电流I通过，导线正下方电子初速度v0方向与电流I的方向相同，电子将( )
A．沿路径a运动，轨迹是圆
B．沿路径a运动，轨迹半径越来越大
C．沿路径a运动，轨迹半径越来越小
D．沿路径b运动，轨迹半径越来越大
解析：选D．导线下方磁场方向垂直纸面向外，且离导线越远磁场越弱，故由左手定则和R＝知，选项D正确．
题型3 磁偏转的应用
如图所示为磁流体发电机的示意图，将气体加热到很高的温度，使它成为等离子体(含有大量正、负离子)，让它以速度v通过磁感应强度为B的匀强磁场区，电极a和b的间距为d．
(1)说明磁流体发电机的原理．
(2)哪个电极为正极？
(3)计算电极间的电势差．
[思路点拨] 这是一道联系实际的问题，要明确发电机的工作原理，综合运用所学的知识，利用共点力的平衡进行求解．解决此类复合场问题时，正确地对物体进行受力分析是关键．
[解析] (1)带电粒子进入磁场且受到洛伦兹力的作用而向两个极板运动，在两个极板上积累的电荷越来越多，从而在两个极板间产生竖直方向的电场，且越来越强，最终带电粒子所受电场力和磁场力平衡后，沿直线通过叠加场，这样就在两个极板间产生了持续的电势差．
(2)b板为正极．
(3)平衡时电场力等于洛伦兹力，即qE＝qvB，又E＝
因此U＝Bvd．
[答案] (1)见解析 (2)b板为正极 (3)Bvd
3．查阅资料，了解质谱仪的工作原理．
解析：质谱仪是利用电场和磁场控制电荷运动、测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具，其结构如图所示，容器A中含有电荷量相同而质量有微小差别的带电粒子，经过S1和S2之间的电场加速，它们进入磁场将沿着不同轨迹做圆周运动，打在照相底片的不同地方，在底片上形成若干细条，叫做谱线．从谱线的位置可以知道粒子做圆周运动的半径大小，如果再已知带电粒子的电荷量，就可以算出它的质量，这种仪器叫做质谱仪．
同位素粒子从粒子源出来进入加速电场，在电场中被加速；然后又进入匀强磁场，在匀强磁场中做匀速圆周运动．
加速过程中：qU＝mv2．以速度v进入磁场做圆周运动：qvB＝m．两式联立可得：R＝ ，由此可知不同质量的粒子半径不同，可以分开．
答案：见解析
[随堂检测]
1．如图所示是表示从粒子源S以相同速度射出的三种粒子A、B、C在匀强磁场中运动的轨迹，由此可判定( )
A．带正电的是C粒子
B．带正电的是A粒子
C．不带电的是B粒子
D．带负电的是A粒子
解析：选BC．
2．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
解析：选B．通电直导线与磁场方向平行时，安培力等于零，故选项A错；安培力一定垂直磁场和电流所决定的平面，即安培力方向一定垂直磁场方向，选项D错；洛伦兹力也一定垂直磁场与速度方向决定的平面，即洛伦兹力一定与运动方向垂直，洛伦兹力一定不做功，选项C错；二者的关系为：安培力是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现，选项B正确．
3．
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．小球从等高的A点、B点分别摆至C点时，小球从A点至C点时的速度大
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
解析：选A．由于洛伦兹力对运动小球不做功，所以不论是正电荷还是负电荷，不论是从A点还是从B点摆至C点，机械能均守恒，所以B、C、D错，A对．
4．
1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，如图所示，核心部分是两个D形金属扁盒，接在高频电压的两极．在两D形盒的缝隙之间形成一加速电场．在中心附近放有粒子源，整个装置放在强大的匀强磁场中，磁场的方向垂直于D形盒的底面．下列说法正确的是( )
A．离子由加速器的中心附近进入加速器
B．离子由加速器的边缘进入加速器
C．离子从磁场中获得能量
D．离子从电场中获得能量
解析：选AD．离子由加速器的中心附近进入加速器，从电场中获取能量，最后从加速器边缘离开，选项A、D正确．
5．某处地磁场的方向水平地由南向北，大小为1．2×10－4 T，一速度为5×105 m/s，带电量为＋2e的粒子竖直向下飞入磁场．磁场作用于粒子的力的大小是多少？粒子将向哪个方向偏转？
解析：由洛伦兹力公式得
f＝qvB＝2×1．6×10－19×5×105×1．2×10－4 N
＝1．92×10－17 N
由左手定则可判断洛伦兹力向东，故粒子将向东偏转．
答案：1．92×10－17 N 东
[课时作业][学生用书P76(单独成册)]
一、选择题
1．1932年，美国哪位科学家首创了回旋加速器( )
A．富兰克林 B．洛伦兹
C．劳伦斯 D．麦克斯韦
答案：C
2．如图所示是用“洛伦兹力演示仪”演示时的两幅照片，忽略地磁场的影响，下列说法正确的是( )
A．甲图中的电子束不受洛伦兹力
B．乙图中的电子束不受洛伦兹力
C．甲图中的电子束处在垂直纸面的磁场中
D．乙图中的电子束处在平行纸面的磁场中
解析：选A．电子束沿垂直磁场方向在匀强磁场中运动，将受洛伦兹力的作用而做匀速圆周运动，故甲图的电子束不受洛伦兹力，A对；而当电子束的方向与磁场方向平行时，电子束将不受洛伦兹力作用，故甲图中的磁场方向应与电子束平行，C错；乙图中的电子束受洛伦兹力，磁场方向应与电子束运动方向垂直，故B、D均错．
3．
如图所示，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
解析：选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不难判定，选项B正确．
4．
显像管是电视机中的一个重要元件，图为电视机显像管的偏转线圈示意图，圆心黑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( )
A．向左偏转 B．向上偏转
C．不偏转 D．向下偏转
解析：选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向上．
5．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
解析：选D．运动电荷受到洛伦兹力不仅跟磁场有关，还跟电荷的速度方向有关，在磁感应强度不为零的地方，当速度方向与磁场方向平行时，不受洛伦兹力作用．反之，洛伦兹力为零时，可能是因为运动电荷的速度方向与磁场方向平行，而不一定是磁感应强度为零，故选项A、B都错误．洛伦兹力的方向始终与速度方向垂直，洛伦兹力只改变带电粒子的速度方向，不改变带电粒子的速度大小，因此带电粒子的动能保持不变；速度是矢量，速度大小不变，但速度方向是改变的，因此，选项C错误，选项D是正确的．
6．一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
解析：选D．通电螺线管内部磁场是与轴线相互平行的直线，带电粒子沿轴线射入时，其速度方向与磁场平行，故不受洛伦兹力作用，粒子做匀速直线运动，选项D正确．
7．一长方形金属块放在匀强磁场中，将金属块通以电流，磁场方向和电流方向如图所示，则在金属块两表面M、N上( )
A．M集聚了电子 B．M集聚了正电荷
C．N集聚了电子 D．N集聚了正电荷
解析：选AD．在金属中自由电子的定向移动形成电流，所以图中的电流可以看成是沿相反方向运动的电子流，由左手定则可知电子受洛伦兹力向上，所以M面上聚集了电子．
8．
如图所示，a、b是位于真空中的平行金属板，a板带正电，b板带负电，板间场强为E．两板间的空间中加匀强磁场，方向垂直纸面向里，磁感应强度为B，一束电子以大小为v0的速度沿图中虚线方向射入，虚线平行于a、b板，要想电子沿虚线运动，则v0、E、B之间的关系应满足 ( )
A．v0＝E/B B．v0＝B/E
C．v0＝E/Be D．v0＝Be/E
解析：选A．要想使电子沿虚线运动，要求电子受到的电场力等于磁场力，即Eq＝Bqv0
v0＝E/B．
二、非选择题
9．在图所示的各图中，匀强磁场的磁感应强度均为B，带电粒子的速率均为v，带电荷量均为＋q，试求出图中带电粒子此刻所受洛伦兹力的大小，并标出洛伦兹力的方向．
解析：甲因v⊥B，所以f＝qvB，方向与v垂直斜向上．
乙由于v与B平行，所以不受洛伦兹力．
丙v与B垂直，f＝qvB，方向与v垂直斜向下．
答案：甲f＝qBv 乙f＝0 丙f＝qBv
方向如图所示：
10．如图所示，MN表示真空室中垂直于纸面放置的感光板，它的一侧有匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁感应强度大小为B．一个电荷量为q的带电粒子从感光板上的狭缝O处以垂直于感光板的初速度v射入磁场区域，最后到达感光板上的P点．经测量P、O间的距离为l，不计带电粒子受到的重力．求：
(1)带电粒子所受洛伦兹力的大小；
(2)带电粒子的质量．
解析：(1)由洛伦兹力公式得f＝qvB
(2)由洛伦兹力提供向心力得qvB＝m
由题意得r＝
联立以上两式解得带电粒子的质量m＝．
答案：(1)qvB (2)
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