第五节、磁场对运动电荷的作用力
教学目标
（一）知识与技能
1、知道什么是洛伦兹力。
2、利用左手定则会判断洛伦兹力的方向，理解洛伦兹力对电荷不做功。
3、掌握洛伦兹力大小的推理过程。
4、掌握垂直进入磁场方向的带电粒子，受到洛伦兹力大小的计算。
5、了解电视机显像管的工作原理。
（二）过程与方法
通过洛伦兹力大小的推导过程进一步培养学生的分析推理能力。
（三）情感、态度与价值观
让学生认真体会科学研究最基本的思维方法：“推理—假设—实验验证”
教学重点
1、利用左手定则会判断洛伦兹力的方向。
2、掌握垂直进入磁场方向的带电粒子，受到洛伦兹力大小的计算。
教学难点
1、理解洛伦兹力对运动电荷不做功。
2、洛伦兹力方向的判断。
教学方法
实验观察法、讲述法、分析推理法
教学手段
电子射线管、电源、磁铁、投影仪、投影片
教学过程
（一）引入新课
前面我们学习了磁场对电流的作用力，下面思考两个问题：
（1）如图，判定安培力的方向
若已知上图中：B=4.0×10-2 T，导线长L=10 cm，I=1 A。求：导线所受的安培力大小？
（2）电流是如何形成的？ 电荷的定向移动形成电流。
磁场对电流有力的作用，电流是由电荷的定向移动形成的，大家会想到什么？
这个力可能是作用在运动电荷上的，而安培力是作用在运动电荷上的力的宏观表现。
［演示实验］用阴极射线管研究磁场对运动电荷的作用。如图3.5-1
说明电子射线管的原理：
从阴极发射出来电子，在阴阳两极间的高压作用下，使电子加速，形成电子束，轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光，可以显示电子束的运动轨迹。
实验现象：在没有外磁场时，电子束沿直线运动，将蹄形磁铁靠近阴极射线管，发现电子束运动轨迹发生了弯曲。
分析得出结论：磁场对运动电荷有作用。
（二）进行新课
1、洛伦兹力的方向和大小
运动电荷在磁场中受到的作用力称为洛伦兹力。通电导线在磁场中所受安培力实际是洛伦兹力的宏观表现。
方向（左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直，并且都和手掌在一个平面内，让磁感线垂直穿入手心，并使伸开的四指指向正电荷运动的方向，那么，大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。
如果运动的是负电荷，则四指指向负电荷运动的反方向，那么拇指所指的方向就是负电荷所受洛伦兹力的方向。
思考：
1、试判断下图中所示的带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的方向。
甲 乙 丙 丁
下面我们来讨论B、v、F三者方向间的相互关系。如图所示。
结论：F总垂直于B与v所在的平面。B与v可以垂直，可以不垂直。
洛伦兹力的大小
若有一段长度为L的通电导线，横截面积为S，单位体积中含有的自由电荷数为n，每个自由电荷的电量为q，定向移动的平均速率为v，将这段导线垂直于磁场方向放入磁感应强度为B的磁场中。
这段导体所受的安培力为 F安=BIL
电流强度I的微观表达式为 I=nqSv
这段导体中含有自由电荷数为 N=nLS。
安培力可以看作是作用在每个运动上的洛伦兹力F的合力，这段导体中含有的自由电荷数为nLS，所以每个自由电荷所受的洛伦兹力大小为
当运动电荷的速度v方向与磁感应强度B的方向不垂直时，设夹角为θ，则电荷所受的洛伦兹力大小为
上式中各量的单位：
为牛（N），q为库伦（C），v为米/秒（m/s），B为特斯拉（T）
思考与讨论：
同学们讨论一下带电粒子在磁场中运动时，洛伦兹力对带电粒子是否做功？
教师引导学生分析得：
洛伦兹力的方向垂直于v和B组成的平面即洛伦兹力垂直于速度方向，因此
洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小，所以洛伦兹力对电荷不做功。
思考：
2、电子的速率v=3×106 m/s，垂直射入B=0.10 T的匀强磁场中，它受到的洛伦兹力是多大？
3、、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．相对于预定地面向东偏转
C．相对于预定点稍向西偏转 D．相对于预定点稍向北偏转
2、电视显像管的工作原理
在图3.5－4中，如图所示：
（1）要是电子打在A点，偏转磁场应该沿什么方向？ 垂直纸面向外
（2）要是电子打在B点，偏转磁场应该沿什么方向？ 垂直纸面向里
（3）要是电子打从A点向B点逐渐移动，偏转磁场应该怎样变化？
先垂直纸面向外并逐渐减小，然后垂直纸面向里并逐渐增大。
学生阅读教材，进一步了解显像管的工作过程。
课堂训练
1、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、v，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
2、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三者方向的相互关系图（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
3、如图所示，匀强磁场方向水平向里，匀强电场方向竖直向下，有一正离子恰能沿直线从左向右水平飞越此区域。则
A．若电子从右向左飞入，电子也沿直线运动
B．若电子从右向左飞入，电子将向上偏转
C．若电子从右向左飞入，电子将向下偏转
D．若电子从左向右飞入，电子也沿直线运动
4、一个长螺线管中通有电流，把一个带电粒子沿中轴线方向射入（若不计重力影响），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
作业
完成P103“问题与练习”第1、2、5题。书面完成第3、4题。(共25张PPT)
荷兰物理学家 洛伦兹
（ Lorentz， 1853—1928）
洛伦兹——“我们时代最伟大最尊贵的人”。
第五节 磁场对运动电荷的作用
教学目标
（一）知识与技能
1、知道什么是安培力。知道通电导线在磁场中所受安培力的方向与电流、磁场方向都垂直时，它的方向的判断----左手定则。知道左手定则的内容，会用左手定则熟练地判定安培力的方向，并会用它解答有关问题.
2、会用安培力公式F=BIL解答有关问题. 知道电流方向与磁场方向平行时，电流受的安培力最小，等于零；电流方向与磁场方向垂直时，电流受的安培力最大，等于BIL.
3、了解磁电式电流表的内部构造的原理。
（二）过程与方法
通过演示、分析、归纳、运用使学生理解安培力的方向和大小的计算。培养学生的间想像能力。
（三）情感态度与价值观
使学生学会由个别事物的个性来认识一般事物的共性的认识事物的一种重要的科学方法.并通过对磁电式电流表的内部构造的原理了解，感受物理知识之间的联系。
二、重点与难点：
重点：安培力的方向确定和大小的计算。
难点：左手定则的运用（尤其是当电流和磁场不垂直时，左手定则如何变通使用）。
三、教具：磁铁、电源、金属杆、导线、铁架台、滑动变阻器、多媒体。
1、运用左手定则判断安培力的方向
I
I
2、磁场对电流有力的作用，电流是怎样形成的呢？
F
F
一、复习
３、既然磁场对电流有力的作用，电流是由电荷的定向移动形成的，那么我们是否可以想到磁场对运动电荷也有作用力呢？
运动电荷在磁场中会受到作用力吗？
【推理与猜想】
磁场对运动电荷的作用力叫做
洛伦兹力
安培力是洛伦兹力的宏观表现
洛伦兹力是安培力的微观本质
三、洛伦兹力的方向、左手定则
v
v
1、 伸开左手，使大拇指和其余四
指垂直且处于同一平面内，把手放
入磁场中，让磁感线垂直穿过手心，
若四指指向正电荷运动的方向，那
么拇指所指的方向就使正电荷所受
洛伦兹力的方向
2、若四指指向负电荷运动的反方
向，那么拇指所指的方向就是负电
荷所受洛伦兹力的方向
f
f
三、洛伦兹力的方向
v
v
B
v
f
f
垂直纸面向外
试判断下图中的带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的方向
1、可见：以相同速度进入同一磁场的正负电荷受到的洛伦兹力方向相反。
2、安培力方向由左手定则判断。我们知道安培力的方向既垂直于磁场方向，又垂直于电流方向，同样也用左手定则判断洛伦兹力f的方向也既垂直于磁场B的方向又垂直于电荷运动速度v的方向
－－－左手定则
四、巩固练习
试判断各图中带电粒子受洛伦兹力的方向，或带电粒子的电性、
或带点粒子的运动方向。
v
f
f
v
v
洛伦兹力方向
垂直纸面向里
洛伦兹力方向
垂直纸面向外
v
关于洛伦兹力的说明：
1.洛伦兹力的方向垂直于v和B组成的平面。
洛伦兹力永远与速度方向垂直。
2.洛伦兹力对电荷不做功
3.洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小。
——洛伦兹力对电荷只起向心力的作用，故只在洛伦兹力的作用下，电荷将作什么运动？
－－－匀速圆周运动。
试判断下图中的带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的情况如何
v0
1、当带电粒子的运动方向与磁场方向平行时，洛伦兹力最小f=0
如果带电粒子射入匀强磁场时,初速度vo跟磁感强度B的方向平
行,粒子将做什么运动？
以初速度v0做匀速直线运动
五、洛伦兹力的大小
我们知道：当电流方向跟磁场方向平
行时安培力等于0
2、当带电粒子的运动方向与磁场方向垂
直时，洛伦兹力f最大；
v
q
B
【思考与讨论】:
洛伦兹力大小可能会与哪些因素有关
五、洛伦兹力的大小
当电荷运动方向跟磁场方向垂直时洛伦兹力的大小跟
三个因素相关：
磁感应强度B
电荷量q
电荷运动快慢 v
（三）洛伦兹力的大小
若有一段长度为L的通电导线，横截面积为S，单位
体积中含有的自由电荷数为n，每个自由电荷的电量为q，
定向移动的平均速率为v，将这段导线垂直于磁场方向放
入磁感应强度为B的匀强磁场中。
推导：这段导体所受的安培力 ：
I的微观表达式 ：
这段导体中含有的自由电荷数：
每个自由电荷所受的洛伦兹力大小 ：
F=BIL
I=nqsv
N=nLs
【思考与讨论】
vt
v
s
v
V
［问题］若此电子不垂直射入磁场，
电子受到的洛伦兹力又如何呢 ？
洛伦兹力：F=qVB (V垂直B）
B1
B2
安培力是洛伦兹力的集体表现，洛伦兹力是安培力产生的原因。
2.大小关系：F安＝NF洛（N是导体中运动的电荷数）
3.方向关系：F安与F洛方向相同
4.F安与F洛本质都是磁场对运动电荷的作用力
1、当一带正电q的粒子以速度v沿螺线管中轴线进入该通电螺线管，若不计重力，则 [ ]
A．带电粒子速度大小改变；
B．带电粒子速度方向改变；
C．带电粒子速度大小不变；
D．带电粒子速度方向不变。
CD
洛伦兹力和电场力的区别：
电荷在电场中一定受到电场力的作用，与其运动状态无关；而电荷在磁场中不一定受到磁场力作用，只有相对于磁场运动且运动方向与磁场方向不平行的电荷才受磁场力作用。
2.大小：F电＝Eq, F洛=Bqvsinθ。
3.电荷所受电场力方向总是平行于电场线的切线方向；而电荷所受磁场力的方向总是既垂直于磁场方向，又垂直于运动方向。
4.电场力要对运动电荷做功（电荷在等势面上运动除外）；而电荷在磁场中运动时，磁场力一定不会对电荷做功。
2、摆长为L的单摆在匀强磁场中摆动，摆动中摆线始终绷紧，若摆球带正电，电量为q，质量为m，磁感应强度为B，当小球从最高处摆到最低处，摆线上拉力T多大？
解析：
摆球在运动中洛伦兹力不做功，由动能定理得：
摆球在最低点时的速度方向不同，洛伦兹力方向不同，绳受到的拉力大小不同
当摆球向右摆时，
六 电视显像管的工作原理
主要构造:
电子枪（阴极）、偏转线圈、荧光屏等
【思考与讨论】
1．若要使电子束在水平方向偏离中心，打在荧光屏上的Ａ点，偏转磁场应该沿什么方向？
六 电视显像管的工作原理
２．若要使电子束打在Ｂ点，磁场应该沿什么方向？
３．若要使电子束打在荧光屏上的位置由Ｂ逐渐向Ａ点移动，偏转磁场应该怎样变化？
原理：
应用电子束磁偏转的道理
六 电视显像管的工作原理
课堂小结：
1、洛伦兹力：磁场对运动电荷的作用力
安培力是洛伦兹力的宏观表现
2、洛伦兹力的方向：左手定则
F洛⊥ v F洛⊥ B
3、洛伦兹力大小： F洛=Bqvsinθ
V⊥B F洛=BqV
V∥B F洛= 0
4、特点：洛伦兹力只改变力的方向，不改变 力的大小，洛伦兹力对运动电荷不做功
