2019-2020年高中物理第三章磁场第5节运动电荷在磁场中受到的力教学案新人教版选修3.doc

2019-2020年高中物理第三章磁场第5节运动电荷在磁场中受到的力教学案新人教版选修3一、洛伦兹力的方向和大小1洛伦兹力：运动电荷在磁场中受到的力。2洛伦兹力方向的判断左手定则伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心进入，并使四指指向正电荷运动的方向，这时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。负电荷受力的方向与正电荷受力的方向相反。说明洛伦兹力公式的推导假设：一导线长为L，横截面积为S，单位体积内的自由电荷数为n，每一电荷带电量为q，电荷定向移动的平均速率为v。(如图所示，导线与磁场垂直且固定不动)则导线内总的自由电荷数为NLSn导线内的电流强度为InqSv假设将此导线垂直放入磁感应强度为B的磁场中，则此导线受到的安培力为F安BIL由安培力与洛伦兹力的关系得：F洛，F洛qvB(条件：电荷运动方向与磁场方向垂直)判一判1运动的电荷在磁场中受的力叫洛伦兹力，正电荷所受的洛伦兹力的方向与磁场方向相同，负电荷所受的洛伦兹力的方向与磁场方向相反()2若电荷的速度方向与磁场平行时，不受洛伦兹力()3判断点电荷所受洛伦兹力的方向时，四指应指向负电荷运动的方向()4洛伦兹力对运动电荷不做功()二、电视显像管的工作原理1结构如图所示为电视显像管的原理示意图(俯视图)。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，由安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场。2扫描在电视显像管的偏转区有两对线圈，叫做偏转线圈，偏转线圈中通入大小和方向按一定规律变化的电流，分别在竖直方向和水平方向产生偏转磁场，其方向、强弱都在不断变化，因此电子束打在荧光屏上的光点就像图中所示那样不断移动，这种电子技术叫做扫描。电子束在荧光屏上扫描一行后，迅速返回(如图中虚线所示)，再做下一行扫描，直到荧光屏的下端。3电视显像管的工作原理电视显像管的阴极发射电子，在加速电场中被加速后进入偏转磁场。在偏转磁场作用下，电子束在荧光屏上扫描。电子束从最上一行到最下一行扫描一遍，叫做一场，电视机中每秒要进行50场扫描，由于人的“视觉暂留”，我们感到整个荧光屏都在发光。选一选如图所示为电视机显像管偏转线圈的示意图，当线圈通以图示的直流电时，形成的磁场如图所示，一束沿着管颈轴线射向纸内的电子将()A向上偏转 B向下偏转C向左偏转 D向右偏转解析：选D电子相对于磁场的运动方向是垂直纸面向里，根据左手定则可判定只有选项D正确。1.决定洛伦兹力方向的三个因素：电荷的正负、速度方向、磁感应强度的方向。2洛伦兹力的方向总是与电荷运动的方向和磁场方向垂直，即洛伦兹力的方向总是垂直于运动电荷速度方向和磁场方向确定的平面。即F、B、v三个量的方向关系是：FB，Fv，但B与v不一定垂直。3当电荷运动方向发生变化时，洛伦兹力的方向也随之变化。4用左手定则判定负电荷在磁场中运动所受的洛伦兹力时，应注意将四指指向负电荷运动的反方向。典型例题例1.试判断图中的带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的方向，其中垂直于纸面指向纸里的是( ) 解析根据左手定则可以判断，选项A中的负电荷所受的洛伦兹力方向向下；选项B中的负电荷所受的洛伦兹力方向向上；选项C中的正电荷所受的洛伦兹力方向垂直于纸面指向纸外；选项D中的正电荷所受的洛伦兹力方向垂直于纸面指向纸里，D正确。答案D点评判断洛伦兹力方向时的易错点1注意电荷的正负，尤其是判断负电荷所受洛伦兹力方向时，四指应指向电荷运动的反方向。2洛伦兹力的方向一定垂直于B和v所决定的平面。即时巩固1汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子。如图所示，把电子射线管(阴极射线管)放在蹄形磁铁的两极之间，可以观察到电子束偏转的方向是()A向上 B向下 C向左 D向右解析：选B电子束带负电，电子束由负极向正极运动，在电子束运动的过程中，蹄形磁铁产生的磁场由N极指向S极，根据左手定则可判断出电子受到的洛伦兹力方向向下，故电子束的偏转方向向下，B正确，A、C、D错误。1.洛伦兹力与安培力的联系和区别2.洛伦兹力与电场力的比较 注意1尽管安培力是自由电荷定向移动时受到的洛伦兹力的宏观表现，但不能认为安培力就简单地等于所有定向移动电荷所受洛伦兹力的和，一般只有当导体静止时才能这样认为。2当B与v平行时，电荷不受洛伦兹力(F0)；当电荷相对磁场静止时，电荷不受洛伦兹力(F0)。典型例题例2.用一根长L0.8 m的绝缘轻绳，吊一质量m1.0 g的带电小球，放在磁感应强度为B2.5 T、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，把小球拉到悬点的右侧，轻绳刚好水平拉直，将小球由静止释放，小球便在垂直于磁场的竖直平面内摆动。当小球第一次摆到最低点时，悬线的拉力恰好为0.5mg(取重力加速度g10 m/s2)。求：(1)小球带何种电荷？带电量为多少？(2)当小球第二次经过最低点时，悬线对小球的拉力多大？解析(1)根据左手定则可判断小球带负电。设小球第一次到达最低点时速度为v，则由动能定理可得mgLmv20在最低点根据牛顿第二定律得Bqv0.5mgmgm 解得q2.5103 C(2)由于洛伦兹力始终不做功，根据机械能守恒可知，小球第二次到达最低点时速度大小仍为v，此时悬线对小球的拉力为F，由牛顿第二定律得FBqvmgm解得F5.5102 N答案(1)负电2.5103 C(2)5.5102 N点评与洛伦兹力相关的带电体问题的分析思路正确进行受力分析，当带电体的速率v变化时，洛伦兹力的大小F随之改变。因此带电体在运动过程中的受力情况是动态变化的。洛伦兹力F的变化影响带电体所受的合力，合力变化又引起加速度变化，加速度变化又影响速度变化。1确定带电体的运动状态，注意运动情况和受力情况的结合。2灵活选择不同的运动规律。(1)当带电体在复合场中做匀速直线运动时，粒子受力必然平衡，由平衡条件列方程求解。(2)对于临界问题，注意挖掘隐含条件。即时巩固2如图所示，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直纸面向外，质量为m、带电荷量为q的小球在倾角为的光滑斜面上由静止开始下滑。若带电小球下滑后某个时刻对斜面的压力恰好为零，问：(1)小球的带电性质如何？(2)此时小球下滑的速度和位移分别为多大？解析： (1)小球沿斜面下滑，其对斜面的压力为零，说明其受到的洛伦兹力应垂直斜面向上，根据左手定则可判断小球带正电。(2)当小球对斜面压力为零时，有mgcos qvB得小球此时的速度为v由于小球沿斜面方向做匀加速运动，加速度为agsin 由匀加速运动的位移公式v22ax 得x。答案： (1)带正电 (2)典型例题例3.多选在如图所示的匀强电场(场强为E)和匀强磁场(磁感应强度为B)共存的场区中，一电子沿垂直电场线和磁感线的方向以速度v0射入场区，设电子射出场区时的速度为v，则( )A若v0，电子沿轨迹运动，射出场区时，速度vv0B若v0，电子沿轨迹运动，射出场区时，速度vv0C若v0，电子沿轨迹运动，射出场区时，速度vv0D若v0，电子沿轨迹运动，射出场区时，速度vv0解析不计电子所受的重力，电子受到向上的静电力qE和向下的洛伦兹力qv0B，当v0，即qv0BqE时，电子将向下偏转，轨迹为，静电力做负功，洛伦兹力不做功，射出场区时，速度vv0；当v0时，电子向上偏转，轨迹为，静电力做正功，洛伦兹力不做功，射出场区时，速度vv0；当v0时，电子将沿直线水平向右飞出。综上可知，选项B、C正确。答案BC例4.医生做某些特殊手术时，利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速度。电磁血流计由一对电极a和b以及磁极N和S构成，磁极间的磁场是均匀的。使用时，两电极a、b均与血管壁接触，两触点的连线、磁场方向和血流速度方向两两垂直，如图所示。由于血液中的正负离子随血液一起在磁场中运动，电极a、b之间会有微小电势差。在达到平衡时，血管内部的电场可看做是匀强电场，血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零。在某次监测中，两触点间的距离为3.0 mm，血管壁的厚度可忽略，两触点间的电势差为160 V，磁感应强度的大小为0.040 T。则血流速度的近似值和电极a、b的正负为( )A1.3 m/s，a正、b负B2.7 m/s，a正、b负C1.3 m/s，a负、b正 D2.7 m/s，a负、b正解析由于正负离子在匀强磁场中垂直于磁场方向运动，利用左手定则可以判断：a电极带正电，b电极带负电。血液流动速度可根据离子所受的电场力和洛伦兹力的合力为0，即qvBqE得v1.3 m/s。答案A例5.多选磁流体发电是一项新兴技术，它可以把物体的内能直接转化为电能，如图是它的示意图。平行金属板A、B之间有一个很强的磁场，将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量正、负离子)喷入磁场，A、B两板间便产生电压。如果把A、B和用电器连接，A、B就是直流电源的两个电极，设A、B两板间距为d，磁感应强度为B，等离子体以速度v沿垂直于磁场的方向射入A、B两板之间，则下列说法正确的是()AA是直流电源的正极BB是直流电源的正极C电源的电动势为BdvD电源的电动势为qvB解析等离子体喷入磁场，正离子因受向下的洛伦兹力而向下偏转，B是直流电源的正极，则选项B正确；当带电粒子以速度v做匀速直线运动时，qqvB，电源的电动势UBdv，则选项C正确。答案BC例6.多选利用霍尔效应制作的霍尔元件，广泛应用于测量和自动控制等领域。如图是霍尔元件的工作原理示意图，磁感应强度B垂直于霍尔元件的工作面向下，通入图示方向的电流I，C、D两侧面会形成电势差UCD，下列说法中正确的是()A电势差UCD仅与材料有关B若霍尔元件的载流子是自由电子，则电势差UCD0C仅增大磁感应强度时，电势差UCD变大D在测定地球赤道上方的地磁场强弱时，元件的工作面应保持水平解析电势差UCD与磁感应强度B、材料有关，选项A错误；若霍尔元件的载流子是自由电子，由左手定则可知，电子向C侧面偏转，则电势差UCD0，选项B正确；仅增大磁感应强度时，电势差UCD变大，选项C正确；在测定地球赤道上方的地磁场强弱时，元件的工作面应保持竖直且东西放置，选项D错误。答案BC1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运动电荷在磁场中所受的洛伦兹力FqvBsin ，所以F的大小不但与q、v、B有关系，还与v的方向与B的夹角有关系，当0或180时，F0，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，但粒子速度方向要变，所以C错，D对。2多选关于安培力和洛伦兹力，下面说法中正确的是( )A洛伦兹力和安培力是性质完全不同的两种力B安培力和洛伦兹力，其本质都是磁场对运动电荷的作用力C安培力和洛伦兹力，二者是等价的D安培力对通电导体能做功，但洛伦兹力对运动电荷不能做功解析：选BD安培力和洛伦兹力实际上都是磁场对运动电荷的作用力，但二者不是等价的，安培力实际上是洛伦兹力的宏观表现，它可以对通电导体做功，但洛伦兹力不能对运动电荷做功。3多选以下四个图是表示磁场磁感应强度B、负电荷运动方向v和磁场对负电荷洛伦兹力F的相互关系图，这四个图中画得正确的是(B、v、F两两垂直)( )解析：选ABC由左手定则可知四指指向正电荷运动的方向，当负电荷在运动时，四指指向的方向应与负电荷运动方向相反。4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相对于预定地点，稍向东偏转C相对于预定地点，稍向西偏转D相对于预定地点，稍向北偏转解析：选B地球表面地磁场方向由南向北，质子带正电，根据左手定则可判定，质子自赤道上空竖直下落过程中受洛伦兹力方向向东，B正确。5图中a、b、c、d为四根与纸面垂直的长直导线，其横截面位于正方形的四个顶点上，导线中通有大小相同的电流，方向如图所示。一带正电的粒子从正方形中心O点沿垂直于纸面的方向向外运动，它所受洛伦兹力的方向是()A向上B向下 C向左 D向右解析：选B由右手螺旋定则可以判断出a、b、c、d四根长直导线在正方形中心O处产生的磁感应强度如图所示：四个磁感应强度按矢量的平行四边形定则合成，可得合磁场为水平向左。利用左手定则判断洛伦兹力的方向，可得洛伦兹力竖直向下，故B项正确。