磁场对运动电荷的作用

一、安培力一、安培力1概念：概念：通电导体在磁场中受到的力称为通电导体在磁场中受到的力称为安碚力安碚力F2大小：大小：F=BIL3方向：方向：左手定则确定。左手定则确定。FB，F I，F垂直垂直I、B所在平面。所在平面。二、磁感应强度二、磁感应强度1公式：公式：2物理意义：物理意义：反映了磁场的强弱反映了磁场的强弱3单位：单位：特斯拉，简称特，国际符号是特斯拉，简称特，国际符号是T 4方向：方向：与该处磁场方向同与该处磁场方向同三、电动机三、电动机知识回顾知识回顾导入新课导入新课如图所示，如图所示，ABAB导体杆的两端用细线悬挂于导体杆的两端用细线悬挂于竖直向下的匀强磁场中。竖直向下的匀强磁场中。开关断开时导线杆开关断开时导线杆处于什么状态？开关闭处于什么状态？开关闭合时和开关断开时，有合时和开关断开时，有什么本质的区别？什么本质的区别？开关闭合后，开关闭合后，AB中有电流。中有电流。电流的本质电流的本质是定向移动的电荷。是定向移动的电荷。是不是运动电荷在磁场中会受到磁是不是运动电荷在磁场中会受到磁场力的作用，安培力是大量运动电荷所场力的作用，安培力是大量运动电荷所受到的磁场力的宏观体现呢？受到的磁场力的宏观体现呢？在示波器、电视机、在示波器、电视机、X X射线机、电子显微射线机、电子显微镜等仪器中，都有一个镜等仪器中，都有一个真空玻璃管真空玻璃管。在这个。在这个玻璃管内，玻璃管内，电子束电子束由阴极出发，穿过真空到由阴极出发，穿过真空到达阳极，实际上也是一种电流。达阳极，实际上也是一种电流。教学目标教学目标知识与能力知识与能力1 1知道什么是洛仑兹力。知道影响洛仑知道什么是洛仑兹力。知道影响洛仑兹力方向的因素。兹力方向的因素。2 2会用左手定则解答有关带电粒子在磁会用左手定则解答有关带电粒子在磁场中运动方向的问题。场中运动方向的问题。3 3了解电子束的磁偏转原理及其在技术了解电子束的磁偏转原理及其在技术中的应用。中的应用。4 4了解显像管的工作原理。了解显像管的工作原理。过程与方法过程与方法由通过电流所受安培力推导出带电粒子由通过电流所受安培力推导出带电粒子受磁场作用的洛伦兹力的过程，培养学生的受磁场作用的洛伦兹力的过程，培养学生的迁移能力。迁移能力。情感态度与价值观情感态度与价值观通过本节教学，培养学生进行通过本节教学，培养学生进行“推理推理假设假设实验验证实验验证”的科学研究的方法论的科学研究的方法论教育。教育。教学重难点教学重难点重点重点1洛伦兹力的表示方法及大小。洛伦兹力的表示方法及大小。2判断洛伦磁力方向。判断洛伦磁力方向。3电子束的磁偏转。电子束的磁偏转。难点难点1洛伦兹力的大小及方向。洛伦兹力的大小及方向。2电子束磁偏转。电子束磁偏转。本章导航本章导航一洛伦兹力一洛伦兹力二洛伦兹力的方向二洛伦兹力的方向三、电子束的磁偏转三、电子束的磁偏转四、显像管的工作原理四、显像管的工作原理一洛伦兹力一洛伦兹力演示演示演示演示1 1磁场对电荷有安培力作用，那么磁场对运磁场对电荷有安培力作用，那么磁场对运动电荷是否有力的作用呢？让我们通过下面的动电荷是否有力的作用呢？让我们通过下面的实验来验证实验来验证1实验仪器：实验仪器：在真空玻璃管内安装一在真空玻璃管内安装一个阴极、一个阳极，高压电个阴极、一个阳极，高压电源、磁铁。源、磁铁。演示演示(插入视频插入视频)电子束在磁场中的偏转电子束在磁场中的偏转2实验原理：实验原理：电子束在两极之间的电场力电子束在两极之间的电场力的作用下从阴极出发，穿过真空到达阳极，形成的作用下从阴极出发，穿过真空到达阳极，形成一种电流，电流作用在荧光物质上产生荧光。一种电流，电流作用在荧光物质上产生荧光。3实验步骤：实验步骤：（1）没有磁场时，观察电于束的径迹；）没有磁场时，观察电于束的径迹；（2）把电子射线管放在蹄形磁长的两极之间，）把电子射线管放在蹄形磁长的两极之间，观察电子束的径迹；观察电子束的径迹；（3）调换磁铁）调换磁铁N、S极的位置极的位置，再次观察电，再次观察电子束的径迹；子束的径迹；4实验结果：实验结果：磁场对运动的电荷有力的作磁场对运动的电荷有力的作用，保持电子的运动方向不变，改变磁场的方向，用，保持电子的运动方向不变，改变磁场的方向，受力的方向也改变。受力的方向也改变。5定义：定义：荷兰物理荷兰物理学家洛伦兹首先提出，磁场学家洛伦兹首先提出，磁场对运动电荷有力的作用。为对运动电荷有力的作用。为了纪念他，人们称这种力为了纪念他，人们称这种力为洛伦兹力。洛伦兹力。6洛伦兹力与安培洛伦兹力与安培力的关系：力的关系：作用在通电导体上的安作用在通电导体上的安培力是磁场对运动电荷洛伦培力是磁场对运动电荷洛伦兹力的宏观表现。兹力的宏观表现。洛伦兹力是安培力的微洛伦兹力是安培力的微观本质。观本质。洛伦兹，荷兰物理学洛伦兹，荷兰物理学家，家，1902年诺贝尔物年诺贝尔物理学奖的获得者理学奖的获得者7比较比较电场和磁场电场和磁场对电荷的作用力对电荷的作用力电场力电场力洛伦兹力洛伦兹力产生产生 电场对运动电荷、电场对运动电荷、静止电荷都有电场静止电荷都有电场力的作用力的作用磁场只对运动电荷才有磁场只对运动电荷才有磁场力的作用磁场力的作用受力受力 电荷在电场中电荷在电场中一定一定受电场力的作用受电场力的作用运动电荷在磁场中运动电荷在磁场中不一不一定定受洛伦兹力的作用受洛伦兹力的作用大小大小 F=qE洛伦兹力的大小洛伦兹力的大小F=qvB不要求不要求方向方向 与电场方向与电场方向平行平行与磁场方向与磁场方向垂直垂直做功做功 不一定不一定做功做功一定不一定不做功做功二洛伦兹力的方向二洛伦兹力的方向既然洛仑兹力和安培力之间是微观和宏观既然洛仑兹力和安培力之间是微观和宏观的关系，那么能够根据安培力方向的判断方法的关系，那么能够根据安培力方向的判断方法来总结洛仑兹力方向的判断方法呢？来总结洛仑兹力方向的判断方法呢？左手定则判断安培力方向，大量定向移动电左手定则判断安培力方向，大量定向移动电荷所受洛伦兹力宏观表现为安培力，因此，可以荷所受洛伦兹力宏观表现为安培力，因此，可以用左手定则判定洛伦兹力的方向。用左手定则判定洛伦兹力的方向。1若运动电荷是正电荷，则可以这样若运动电荷是正电荷，则可以这样表示：表示：伸开左手，使拇指跟其余四指垂直，并伸开左手，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，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的运动方向，那么，拇指所并使四指指向正电荷的运动方向，那么，拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向。指的方向就是通电导线所受安培力的方向。2若运动电荷是负电荷，则可以这样若运动电荷是负电荷，则可以这样表示：表示：伸开左手，使拇指跟其余四指垂直，并伸开左手，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，且都跟手掌在同一个平面内，让磁感线穿入手心，并使四指指向负电荷的运动方向的反方向，那么，并使四指指向负电荷的运动方向的反方向，那么，拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向。拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向。3洛仑兹力的方向洛仑兹力的方向的判定：的判定：伸开左手，使大伸开左手，使大拇指跟其余四个手指垂直且拇指跟其余四个手指垂直且处于同一平面内，把手放入处于同一平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿过磁场中，让磁感线垂直穿过手心，四指指向手心，四指指向正电荷正电荷运动运动的方向，那么大拇指所指的的方向，那么大拇指所指的方向就是运动电荷所受的洛方向就是运动电荷所受的洛伦兹力方向。伦兹力方向。左手定则左手定则对于正电荷四指指向电荷的运动方向。对于正电荷四指指向电荷的运动方向。对于负电荷四指指向电荷运动的反方向。对于负电荷四指指向电荷运动的反方向。（1）判定图中导线受到）判定图中导线受到的安培力方向？（的安培力方向？（向下向下）（2）电流方向与电荷运）电流方向与电荷运动方向的关系？（动方向的关系？（正电荷运动正电荷运动方向与一致，负电荷运动方方向与一致，负电荷运动方向与相反向与相反）（3）安培力的方向与洛）安培力的方向与洛仑兹力方向的关系？（仑兹力方向的关系？（一致一致）4洛伦兹力的特点：洛伦兹力的特点：（1）洛伦兹力的方向垂直于）洛伦兹力的方向垂直于v和和B二者所决二者所决定的平面。定的平面。fv fB（2）洛伦兹力总是跟运动的电荷的速度方）洛伦兹力总是跟运动的电荷的速度方向垂直，所以洛伦兹力只能改变运动电荷的速度向垂直，所以洛伦兹力只能改变运动电荷的速度方向，而不改变速度的大小。方向，而不改变速度的大小。（3）洛伦兹力对带电粒子始终不做功。）洛伦兹力对带电粒子始终不做功。三电子束的磁偏转三电子束的磁偏转概念：概念：下图中所示的实验装置叫做下图中所示的实验装置叫做洛伦兹洛伦兹力演示仪力演示仪，可以演示洛伦兹力的大小和方向。，可以演示洛伦兹力的大小和方向。它由一个球形电子射线管和一组线圈组成。通它由一个球形电子射线管和一组线圈组成。通过改变电子枪两极间的电压可以改变电子的速过改变电子枪两极间的电压可以改变电子的速度；通过改变线圈中电流的强弱可以改变磁感度；通过改变线圈中电流的强弱可以改变磁感应强度的大小。应强度的大小。没有磁场时电子束没有磁场时电子束沿直线运动沿直线运动施加垂直于纸面的施加垂直于纸面的磁场后，电子束没磁场后，电子束没圆轨道运动圆轨道运动演示演示演示演示2 2 通过洛伦兹力演示仪探究洛伦兹力的方通过洛伦兹力演示仪探究洛伦兹力的方向和大小：向和大小：实验过程实验过程1：接通射线管，不给线圈通电。接通射线管，不给线圈通电。实验现象实验现象1：电子束沿直线运动。电子束沿直线运动。实验过程实验过程2：接通射线管，并且给线圈通电。接通射线管，并且给线圈通电。实验现象实验现象2：电子束沿曲线运动。电子束沿曲线运动。实验过程实验过程3：保持电子射线管的电压不变，保持电子射线管的电压不变，改变线圈的电流。改变线圈的电流。实验现象实验现象3：电子束沿曲线运动的半径发生电子束沿曲线运动的半径发生变化。变化。实验过程实验过程4：保持线圈的电流不变，改变电保持线圈的电流不变，改变电子射线管的电压。子射线管的电压。实验现象实验现象4：电子束沿曲线运动的半径发生电子束沿曲线运动的半径发生变化。变化。综上所述：综上所述：磁场的强弱和电子的速度都能磁场的强弱和电子的速度都能影响圆的半径。影响圆的半径。四显像管的工作原理四显像管的工作原理 电视机显像管也用到了电子束磁偏转的电视机显像管也用到了电子束磁偏转的原理。原理。显像管中有一个阴极，工作时它能发射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。可是，电子，荧光屏被电子束撞击就能发光。可是，很细的一束电子打在荧光屏上只能使一个点很细的一束电子打在荧光屏上只能使一个点发光，而实际上要使整个荧光屏发光，这就发光，而实际上要使整个荧光屏发光，这就要靠磁场使电子束偏转了。要靠磁场使电子束偏转了。电子束打在荧光屏上会发光，但是，很细电子束打在荧光屏上会发光，但是，很细的一束电子打在荧光屏上只能使一个点发光，的一束电子打在荧光屏上只能使一个点发光，如图所示，在不加电场的情况下，电子束直接如图所示，在不加电场的情况下，电子束直接打在点。打在点。想一想想一想 1要使电子束在水平方向偏离中心，打在要使电子束在水平方向偏离中心，打在荧光屏上的荧光屏上的A点，偏转磁场应该沿什么方向？点，偏转磁场应该沿什么方向？应用左手定则，应该垂直打在纸面向上。应用左手定则，应该垂直打在纸面向上。2要使电子束在水平方向偏离中心，打在要使电子束在水平方向偏离中心，打在荧光屏上的荧光屏上的B点，偏转磁场应该沿什么方向？点，偏转磁场应该沿什么方向？应用左手定则，应该垂直打在纸面向下。应用左手定则，应该垂直打在纸面向下。3如果要使电子束打在荧光屏上的位置由如果要使电子束打在荧光屏上的位置由B点逐渐向点逐渐向A点移动，偏转磁场应该怎样变化？点移动，偏转磁场应该怎样变化？由垂直直面向下逐渐减小，然后变成垂直纸面由垂直直面向下逐渐减小，然后变成垂直纸面向上逐渐增大。向上逐渐增大。扫描：扫描：实际上，在偏转区的水平方向和竖直实际上，在偏转区的水平方向和竖直方向都加有偏转磁场，其方向、强弱都在不断变方向都加有偏转磁场，其方向、强弱都在不断变化，水平方向的磁场是电子上下移动，竖直方向化，水平方向的磁场是电子上下移动，竖直方向的磁场使电子左右移动，这样电子束打在荧光屏的磁场使电子左右移动，这样电子束打在荧光屏上的光点就能够布满整个区域，这种电视技术就上的光点就能够布满整个区域，这种电视技术就称之为称之为扫描。扫描。电子束从最上一行到最下一行扫描一电子束从最上一行到最下一行扫描一遍叫遍叫一场一场，电视机中每秒要进行，电视机中每秒要进行50场扫描场扫描，所以我们感到整个荧光屏都在发光。所以我们感到整个荧光屏都在发光。电子束在荧光屏电子束在荧光屏上沿水平方向扫描一上沿水平方向扫描一行之后，向下移动少行之后，向下移动少许，再做下一次行扫许，再做下一次行扫描，直到荧光屏的下描，直到荧光屏的下端。端。偏转线圈：偏转线圈：使电子束偏转的磁场是由两使电子束偏转的磁场是由两对线圈产生的，叫做偏转线圈。偏转线圈通对线圈产生的，叫做偏转线圈。偏转线圈通常做成马鞍型。常做成马鞍型。偏转线圈偏转线圈课堂小结课堂小结一、洛仑兹力一、洛仑兹力1洛仑兹力：磁场对运动电荷力的作用洛仑兹力：磁场对运动电荷力的作用2洛仑兹力和安培力是微观和宏观的关系洛仑兹力和安培力是微观和宏观的关系二、洛仑兹力的方向二、洛仑兹力的方向左手定则左手定则三、电子束的磁偏转三、电子束的磁偏转磁场的强弱和电子的速度都能影响圆的半径磁场的强弱和电子的速度都能影响圆的半径四、显像管的工作原理四、显像管的工作原理磁场对运动电荷的偏转作用磁场对运动电荷的偏转作用高考链接高考链接1【07上海卷上海卷】在磁感应强度在磁感应强度B的匀强的匀强磁场中，垂直于磁场放入一段通电导线。若磁场中，垂直于磁场放入一段通电导线。若任意时刻该导线中有任意时刻该导线中有N个以速度个以速度v做定向移动做定向移动的电荷，每个电荷的电量为的电荷，每个电荷的电量为q。则每个电荷所。则每个电荷所受的洛伦兹力受的洛伦兹力f_，该段导线所受的安，该段导线所受的安培力为培力为F_。qvbNqvb207广东卷带电粒子的荷质比广东卷带电粒子的荷质比q/m是一个重要的物理量。某中学物理兴趣是一个重要的物理量。某中学物理兴趣小组设计了一个实验，探究电场和磁场对小组设计了一个实验，探究电场和磁场对电子运动轨迹的影响，以求得电子的荷质电子运动轨迹的影响，以求得电子的荷质比，实验装置如图比，实验装置如图13所示。所示。（1）他们的主要实验步骤如下：）他们的主要实验步骤如下：A首先在两极板首先在两极板M1M2之间不加任何电场、磁之间不加任何电场、磁场，开启阴极射线管电源，发射的电子从两极板中场，开启阴极射线管电源，发射的电子从两极板中央通过，在荧幕的正中心处观察到一个亮点；央通过，在荧幕的正中心处观察到一个亮点；B在在M1M2两极板间加合适的电场：加极性如两极板间加合适的电场：加极性如图图13所示的电压，并逐步调节增大，使荧幕上的亮所示的电压，并逐步调节增大，使荧幕上的亮点逐渐向荧幕下方偏移，直到荧幕上恰好看不见亮点逐渐向荧幕下方偏移，直到荧幕上恰好看不见亮点为止，记下此时外加电压为点为止，记下此时外加电压为U。请问本步骤目的。请问本步骤目的是什么？是什么？C保持步骤保持步骤B中的电压中的电压U不变，对不变，对M1M2区域区域加一个大小、方向合适的磁场加一个大小、方向合适的磁场B，使荧幕正中心重，使荧幕正中心重现亮点，试问外加磁场的方向如何？现亮点，试问外加磁场的方向如何？（2）根据上述实验步骤，同学们正确推）根据上述实验步骤，同学们正确推算处电子的荷质比与外加电场、磁场及其他相算处电子的荷质比与外加电场、磁场及其他相关量的关系为关量的关系为Q/m=U/B2d2。一位同学说，这表。一位同学说，这表明电子的荷质比将由外加电压决定，外加电压明电子的荷质比将由外加电压决定，外加电压越大则电子的荷质比越大，你认为他的说法正越大则电子的荷质比越大，你认为他的说法正确吗？为什么？确吗？为什么？答：答：（1）B使电子刚好落在正极板的近荧使电子刚好落在正极板的近荧光屏端边缘，利用已知量表达光屏端边缘，利用已知量表达q/m。C垂直电场垂直电场方向向外方向向外(垂直纸面向外垂直纸面向外)。（2）说法不正确，电子的荷质比是电子的固）说法不正确，电子的荷质比是电子的固有参数。有参数。307海南卷一平行板电容器中存在海南卷一平行板电容器中存在匀强电场，电场沿竖直方向。两个比荷（即粒匀强电场，电场沿竖直方向。两个比荷（即粒子的电荷量与质量之比）不同的带正电的粒子子的电荷量与质量之比）不同的带正电的粒子a和和b，从电容器的，从电容器的P点（如图）以相同的水平点（如图）以相同的水平速度射入两平行板之间。测得速度射入两平行板之间。测得a和和b与电容极板与电容极板的撞击点到入射点之间的水平距离之比为的撞击点到入射点之间的水平距离之比为1:2。若不计重力，则若不计重力，则a和和b的比荷之比是（的比荷之比是（）A1:2 B1:8 C2:1 D4:1 PD课堂练习课堂练习 来自宇宙的质子流，以与地球表面垂直来自宇宙的质子流，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（）进入地球周围的空间时，将（）A竖直向下沿直线射向地面竖直向下沿直线射向地面 B相对于预定地面向东偏转相对于预定地面向东偏转 C相对于预定点稍向西偏转相对于预定点稍向西偏转 D相对于预定点稍向北偏转相对于预定点稍向北偏转 练习练习1-q-qv v甲甲f f-q qv v丙丙f垂直纸面向里垂直纸面向里+q qv v乙乙f f+q+qv v丁丁f垂直纸面向外垂直纸面向外 判断下列粒子刚进入磁判断下列粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的方向。场时所受的洛伦兹力的方向。练习练习2ffff(垂直纸面向外垂直纸面向外)(垂直纸面向外垂直纸面向外)练习练习3 试判断下图中所示的带电的运动粒子在磁试判断下图中所示的带电的运动粒子在磁场中所受的洛伦兹力的方向。场中所受的洛伦兹力的方向。它由一个球形电子射线管和一组线圈组成，它由一个球形电子射线管和一组线圈组成，电子射线管可以发射电子，通过改变电子枪两电子射线管可以发射电子，通过改变电子枪两极间的电压可以改变电子的速度，两组线圈之极间的电压可以改变电子的速度，两组线圈之间可以残生磁场，通过改变线圈中电流的强弱间可以残生磁场，通过改变线圈中电流的强弱可以改变磁感应强度的大小。可以改变磁感应强度的大小。练习练习4简述洛仑兹力演示仪的构造。简述洛仑兹力演示仪的构造。在偏转区的水平方向和竖直方向都加有偏转在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，水平方向的磁场，其方向、强弱都在不断变化，水平方向的磁场是电子上下移动，竖直方向的磁场使电子左磁场是电子上下移动，竖直方向的磁场使电子左右移动，这样电子束打在荧光屏上的光点就能够右移动，这样电子束打在荧光屏上的光点就能够布满整个区域，这种电视技术就称之为扫描。布满整个区域，这种电视技术就称之为扫描。练习练习5简述显像管的工作原理。简述显像管的工作原理。教材习题答案教材习题答案1答：由现象知这束射线含有不同的粒子。其答：由现象知这束射线含有不同的粒子。其中向左的射线为带正电的粒子组成；中间的射线为中向左的射线为带正电的粒子组成；中间的射线为不带电粒子组成；向右的射线为带负电的粒子组成。不带电粒子组成；向右的射线为带负电的粒子组成。2答：甲答：甲 竖直向上；乙竖直向上；乙 竖直向下；丙竖直向下；丙 垂直纸垂直纸面向外；丁面向外；丁 垂直纸面向里。垂直纸面向里。3答：带电粒子在磁场中径迹弯曲、成螺旋形答：带电粒子在磁场中径迹弯曲、成螺旋形是由于受到洛伦兹力的作用而使运动方向发生改变是由于受到洛伦兹力的作用而使运动方向发生改变造成的。两个运动的具有相反电荷的粒子在同一磁造成的。两个运动的具有相反电荷的粒子在同一磁场中所受的洛伦兹力方向相反，因此它们的径迹是场中所受的洛伦兹力方向相反，因此它们的径迹是一对相反绕向的螺旋线。一对相反绕向的螺旋线。