2020学年高中物理 3.5 运动电荷在磁场中受到的力 学案（人教版选修3-1）

2020学年高中物理 3.5 运动电荷在磁场中受到的力 学案（人教版选修3-1）

‎3.5 运动电荷在磁场中受到的力 学案（人教版选修3-1） ‎ 一、洛伦兹力 ‎1．定义：______________在磁场中所受的力．‎ ‎2．与安培力的关系：通电导线在磁场中所受的安培力是洛伦兹力的______________，而洛伦兹力是安培力的微观本质．‎ 二、洛伦兹力的方向和大小 ‎1．洛伦兹力的方向 ‎(1)左手定则 伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内．让______________从掌心进入，并使四指指向________________，这时拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受______________的方向．负电荷受力的方向与正电荷受力的方向______．‎ ‎(2)特点：洛伦兹力的方向与电荷运动方向和磁场方向都______________，洛伦兹力只改变带电粒子的运动方向，不改变速度大小，对电荷不做功．‎ ‎2．洛伦兹力的大小 ‎(1)一般公式：F＝qvBsin θ，其中θ为________方向与________方向的夹角．‎ ‎(2)当________时，F＝qvB.‎ ‎(3)当________时，F＝0.‎ 三、电视显像管的工作原理 ‎1．电视显像管应用了电子束________的原理．‎ ‎2．扫描：电子束打在荧光屏上的位置在______________的控制下一行一行的不断移动．‎ ‎3．偏转线圈：产生使电子束偏转的____________.‎ 一、洛伦兹力的方向和大小 图1‎ ‎[问题情境]‎ 太阳发射出的带电粒子以300～1 ‎000 km/s的速度扫过太阳系，形成“太阳风”(如图1所示)．这种巨大的辐射经过地球时，为什么不能直射地球？为什么会在地球两极形成绚丽多彩如同梦幻般的极光？‎ ‎1．通过课本中的演示实验，我们得出什么结论？‎ ‎　‎ ‎2．用左手定则判断洛伦兹力方向和用左手定则判断安培力方向时，左手的用法相同吗？‎ ‎　‎ ‎3．洛伦兹力的大小如何确定？‎ ‎　‎ ‎4．洛伦兹力和安培力的关系是怎样的？‎ ‎　‎ ‎　‎ ‎[要点提炼]‎ ‎1．____________电荷在磁场中所受的作用力称为洛伦兹力．‎ ‎2．洛伦兹力的方向可用____________定则来判断：伸开________手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心进入，并使四指指向________运动的方向，这时拇指所指的方向就是运动的_____‎ ‎___电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向．‎ ‎3．洛伦兹力的计算公式为F＝Bqvsin θ，式中θ指________方向与________方向的夹角．‎ ‎4．由左手定则可知，洛伦兹力的方向始终与运动电荷的速度方向________，所以洛伦兹力对带电粒子不做功．‎ 二、电视机显像管的工作原理 ‎[问题情境]‎ 目前，电视机已走进了家家户户，给人们的生活带来了巨大的变化．足不出户便可欣赏到千里之外的奥运赛事的精彩直播！电视机正在播放节目时，禁止将磁铁靠近荧光屏！你知道这是为什么吗？‎ ‎1．电视机显像管的主要构造是什么？‎ ‎　‎ ‎　‎ ‎2．显像管的工作原理是什么？‎ ‎　‎ ‎　‎ ‎　‎ ‎3．电子束怎样实现“扫描”图像？‎ ‎　‎ ‎　‎ ‎　‎ ‎　‎ 例1　图2中各图已标出磁场方向、电荷运动方向、电荷所受洛伦兹力方向三者中的两个，试标出另一个的方向．‎ 图2‎ 变式训练1　如图3所示，将水平导线置于真空中，并通以恒定电流I.导线的正下方有一质子初速度方向与电流方向相同，则质子的运动情况可能是(　　)‎ 图3‎ A．沿路径a运动 B．沿路径b运动 C．沿路径c运动 D．沿路径d运动 变式训练2　下列关于带电荷量为＋q的粒子在匀强磁场中运动的说法，正确的是(　　)‎ A．只要速度的大小相同，所受洛伦兹力的大小就相同 B．如果把＋q改为－q，且速度反向而大小不变，则洛伦兹力的大小、方向都不变 C．洛伦兹力方向一定与电荷运动的速度方向垂直，磁场方向也一定与电荷的运动方向垂直 D．当粒子只受洛伦兹力作用时，动能不变 例2　如图4所示，摆球带负电荷的单摆，在一匀强磁场中摆动．匀强磁场的方向垂直于纸面向里．摆球在A、B间摆动过程中，由A摆到最低点C时，摆线拉力大小为F1，摆球加速度大小为a1；由B摆到最低点C时，摆线拉力大小为F2，摆球加速度大小为a2，则(　　)‎ 图4‎ A．F1＞F2，a1＝a2 B．F1＜F2，a1＝a2‎ C．F1＞F2，a1＞a2 D．F1＜F2，a1＜a2‎ 听课记录：　‎ ‎　‎ 例3　如图5所示，套在很长的绝缘直棒上的小球其质量为m，带电荷量是＋q，小球可在棒上滑动．将此棒竖直放在互相垂直、方向如图所示的匀强电场和匀强磁场中，电场强度大小为E，磁感应强度大小为B.小球与棒的动摩擦因数为μ，求小球由静止沿棒下落的最大加速度和最大速度．‎ 图5‎ 变式训练3　质量为‎0.1 g的小物块，带有5×10－‎4 C的电荷量，放在倾角为30°的绝缘光滑斜面上，整个斜面置于0.5‎ ‎ T的匀强磁场中，磁场方向如图6所示．物块由静止开始下滑，滑到某一位置时，物块开始离开斜面(设斜面足够长，取g＝‎10 m/s2)，问：‎ 图6‎ ‎(1)物块带何种电荷？‎ ‎(2)物块离开斜面时的速度为多少？‎ ‎【即学即练】‎ ‎1．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 ‎2．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 ‎3．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7所示，则(　　)‎ 图7‎ 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 ‎4．一初速度为零的质子，经过电压为1 880 V的电场加速后，垂直进入磁感应强度为5.0×10－4 T的匀强磁场中，则质子受到的洛伦兹力多大？(质子质量m＝1.67×10－‎27 kg，g＝‎10 m/s2)‎ 参考答案 课前自主学习 一、1.运动电荷　2.宏观表现 二、1.(1)磁感线　正电荷运动的方向　洛伦兹力　相反　(2)垂直　2.(1)速度　磁感应强度　(2)v⊥B　(3)v∥B 三、1.磁偏转　2.偏转磁场　3.磁场 核心知识探究 一、‎ ‎[问题情境]‎ ‎1．运动的电荷在磁场中要受到力的作用 ‎2．左手用法相同 ‎3．由公式F＝Bqvsin θ来确定　4.通电导线受到的安培力是洛伦兹力的宏观表现 ‎[要点提炼]‎ ‎1．运动 ‎2．左手　左　正电荷　正 ‎3．速度　磁感应强度 ‎4．垂直 二、‎ ‎[问题情境]‎ ‎1．电视机显像管由电子枪、偏转线圈和荧光屏三部分组成 ‎2．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)‎ 电子受洛伦兹力发生偏转，偏转后的电子打在荧光屏上，使荧光屏发光 ‎3．在电视机显像管的偏转区，分别在竖直方向和水平方向产生偏转磁场，其方向、强弱都在不断地变化，因此电子束打在荧光屏上的光点就像如图所示那样不断移动，这在电视技术中叫做扫描．‎ 解题方法探究 例1　(1)受力方向垂直于v斜向上；‎ ‎(2)受力方向垂直于v向左；‎ ‎(3)运动方向平行于斜面向下；‎ ‎(4)磁场方向垂直于纸面向外．‎ 解析　用左手定则判断，对－q，四指应指向其运动方向的反方向．分别可得，图(1)中＋q受洛伦兹力方向垂直于v斜向上；图(2)中－q受洛伦兹力方向垂直于v向左；图(3)中－q运动方向平行于斜面向下，图(4)中匀强磁场方向垂直于纸面向外．‎ 变式训练1　B　[首先判断出电流I在导线下方产生的磁场为垂直纸面向外，然后由左手定则即可判断质子的运动轨迹应为b.]‎ 变式训练2　BD　[洛伦兹力的大小不仅与速度的大小有关，还与其方向有关，故A项错误；用左手定则判定洛伦兹力方向时，负电荷运动的方向跟正电荷运动的方向相反，故把＋q换成－q，且速度反向而大小不变时，洛伦兹力的方向不变，又因速度方向与B的夹角也不变，故洛伦兹力的大小、方向均不发生变化，B项正确；洛伦兹力的方向一定跟电荷速度方向垂直，但电荷进入磁场的速度方向可以是任意的，因而磁场方向与电荷的运动方向的夹角也可以是任意的，故C项错误；洛伦兹力对运动电荷不做功，不改变运动电荷的动能，故D项正确．]‎ 例2　B ‎[由于洛伦兹力不做功，所以从B和A到达C点的速度大小相等．由a＝可得a1＝a2.当由A运动到C时，以小球为研究对象受力分析如图甲所示，F1＋F洛－mg＝ma1.当由B运动到C时，受力分析如图乙所示，F2－F洛－mg＝ma2.由以上两式可得：F2＞F1，故B正确．]‎ 例3　g－　－ 解析　此类问题属于涉及加速度的力学问题，必定得用牛顿第二定律解决，小球受力分析如图所示，根据牛顿第二定律列出方程有 mg－μFN＝ma，①‎ FN－qE－qvB＝0，②‎ 所以a＝ 故知v＝0时，a最大，am＝g－.‎ 同样可知，a随v的增大而减小，当a减小到零时，v达最大，故mg＝μ(qvmB＋qE)‎ 得vm＝－.‎ 变式训练3　(1)负电荷　(2)‎3.46 m/s 解析　(1)由左手定则可知物块带负电荷．‎ ‎(2)当物块离开斜面时，物块对斜面的压力FN＝0，对物块受力分析如图所示，则有F＝mgcos 30°，即 qvB＝mgcos 30°.‎ 解得　v＝‎3.46 m/s.‎ 即学即练 ‎1．B　[根据左手定则，F一定垂直于B、v；但B与v不一定垂直．]‎ ‎2．D　[运动电荷在磁场中所受的洛伦兹力F＝qvBsin θ，所以F的大小不但与q、v、B有关系，还与v的方向与B的夹角θ有关系，当θ＝0°或180°时，F＝0，此时B不一定等于零，所以A、B错误；又洛伦兹力与粒子的速度方向始终垂直，所以洛伦兹力对带电粒子不做功，粒子的动能也就不变，但粒子速度方向要改变．所以C错，D对．]‎ ‎3．A　[导线在其右侧产生的磁场垂直纸面向里，由左手定则可判断电子向右偏转，因洛伦兹力不做功，故速率不变．]‎ ‎4．4.8×10－17 N 解析　对质子在电场中加速过程有：qU＝ mv2①‎ 质子在磁场中受力F＝Bqv②‎ 由①②两式得：F＝Bq 代入数据得：F＝4.8×10－17 N.‎