（2021新人教版）高中物理选择性必修第二册第1章 2.磁场对运动电荷的作用力讲义.doc

1、2.2.磁场对运动电荷的作用力磁场对运动电荷的作用力 学习目标：学习目标：1.科学探究科学探究通过实验探究，感受磁场对运动电荷有力的作用。通过实验探究，感受磁场对运动电荷有力的作用。 2.物理观念物理观念知道什么是洛伦兹力知道什么是洛伦兹力，会用左手定则判断洛伦兹力的方向会用左手定则判断洛伦兹力的方向。3.科科 学思维学思维掌握洛伦兹力公式的推导过程，会用公式分析求解洛伦兹力。掌握洛伦兹力公式的推导过程，会用公式分析求解洛伦兹力。4.科学科学 态度和责任态度和责任了解电视显像管的基本构造和工作原理。了解电视显像管的基本构造和工作原理。 一、洛伦兹力的方向和大小一、洛伦兹力的方向和大小 1洛伦兹

2、力洛伦兹力 (1)定义：定义：运动电荷运动电荷在磁场中受到的力在磁场中受到的力。 (2)洛伦兹力与安培力的关系：通电导体在磁场中所受的安培力是导体中运洛伦兹力与安培力的关系：通电导体在磁场中所受的安培力是导体中运 动电荷所受洛伦兹力的宏观表现动电荷所受洛伦兹力的宏观表现，而洛伦兹力是安培力的而洛伦兹力是安培力的微观微观本质本质。 2洛伦兹力的方向洛伦兹力的方向 (1)左手定则：伸开左手左手定则：伸开左手，使拇指与其余四个手指使拇指与其余四个手指垂直垂直，并且都与手掌在同并且都与手掌在同 一个平面内；让磁感线从掌心一个平面内；让磁感线从掌心垂直垂直进入进入，并使四指指向并使四指指向正电荷正电荷运

3、动的方向运动的方向，这这 时拇指所指的方向就是运动的时拇指所指的方向就是运动的正电荷正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向在磁场中所受洛伦兹力的方向，负电荷受负电荷受 力的方向与正电荷受力的方向力的方向与正电荷受力的方向相反相反。 (2)洛伦兹力方向的特点洛伦兹力方向的特点：FB，Fv，即即 F 垂直于垂直于 B 和和 v 所决定的平面所决定的平面。 3洛伦兹力的大小洛伦兹力的大小 (1)当当 v 与与 B 成成角时：角时：FqvBsin_。 (2)当当 vB 时：时：FqvB。 (3)当当 vB 时：时：F0。 二、电视显像管的工作原理二、电视显像管的工作原理 1构造：如图所示构造：如图所示，由电

4、子枪由电子枪、偏转线圈偏转线圈和荧光屏组成和荧光屏组成。 2原理原理 (1)电子枪电子枪发射电子发射电子。 (2)电子束在磁场中电子束在磁场中偏转偏转。 (3)荧光屏被电子束撞击发光荧光屏被电子束撞击发光。 3扫描扫描：在偏转区的水平方向和竖直方向都有偏转磁场在偏转区的水平方向和竖直方向都有偏转磁场，其方向其方向、强弱都强弱都 在在不断变化不断变化，使得电子束打在荧光屏上的光点从上向下使得电子束打在荧光屏上的光点从上向下、从左向右不断移动从左向右不断移动。 4偏转线圈：使电子束偏转的磁场是由偏转线圈：使电子束偏转的磁场是由两对线圈两对线圈产生的产生的。 1思考判断思考判断(正确的打正确的打“”

5、“”，错误的打错误的打“”“”) (1)运动的电荷在磁场中受到的力叫洛伦兹力运动的电荷在磁场中受到的力叫洛伦兹力，正电荷所受的洛伦兹力的方正电荷所受的洛伦兹力的方 向与磁场方向相同向与磁场方向相同，负电荷所受的洛伦兹力的方向与磁场方向相反负电荷所受的洛伦兹力的方向与磁场方向相反。 ( () ) (2)同一电荷同一电荷，以相同大小的速度进入磁场以相同大小的速度进入磁场，速度方向不同时速度方向不同时，洛伦兹力的洛伦兹力的 大小也可能相同大小也可能相同。 ( () ) (3)若电荷的速度方向与磁场平行若电荷的速度方向与磁场平行，电荷电荷不受洛伦兹力不受洛伦兹力。() (4)判断电荷所受洛伦兹力的方向

6、时判断电荷所受洛伦兹力的方向时，应同时考虑电荷的电性应同时考虑电荷的电性。() (5)显像管中偏转线圈中的电流恒定不变时显像管中偏转线圈中的电流恒定不变时，电子打在荧光屏上的光点是不电子打在荧光屏上的光点是不 动的动的。( () ) 2湖北武当山金殿湖北武当山金殿，以前在雷雨交加时以前在雷雨交加时，金殿的屋顶常会出现盆大的火球金殿的屋顶常会出现盆大的火球， 来回滚动来回滚动。雨过天晴时雨过天晴时，大殿金光灿灿大殿金光灿灿，像被重新炼洗过一般像被重新炼洗过一般，这就是人们所这就是人们所 说的说的“雷火炼殿雷火炼殿”奇观奇观。近些年为了保护古建筑近些年为了保护古建筑，在金殿顶部安装了避雷针在金殿顶

7、部安装了避雷针， 此后此后，雷火炼殿的奇观消失了雷火炼殿的奇观消失了。假设某次雷雨时假设某次雷雨时，有一团带大量负电荷的乌云有一团带大量负电荷的乌云 经过其正上方时经过其正上方时，发生放电现象发生放电现象。下列说法正确的是下列说法正确的是() A通过避雷针的电流通过避雷针的电流，方向是从云到殿方向是从云到殿 B通过避雷针的电流通过避雷针的电流，不受安培力不受安培力 C通过避雷针的电流通过避雷针的电流，所受安培力方向偏西所受安培力方向偏西 D通过避雷针的电流通过避雷针的电流，所受安培力方向竖直向下所受安培力方向竖直向下 C电流的方向为正电荷定向移动的方向，与负电荷移动的方向相反，大电流的方向为正

8、电荷定向移动的方向，与负电荷移动的方向相反，大 量负电荷从乌云量负电荷从乌云流向流向避雷针避雷针，说明电流方向是从金殿到乌云说明电流方向是从金殿到乌云，A 错误错误；地磁场大地磁场大 致方向是从南到北致方向是从南到北，根据左手定则根据左手定则，其所受安培力方向偏西其所受安培力方向偏西，C 正确正确，B、D 错错 误。误。 3初速度为初速度为 v0的电子沿平行于通电长直导线的方向射出的电子沿平行于通电长直导线的方向射出，直导线中电流方直导线中电流方 向与电子的初始运动方向如图所示向与电子的初始运动方向如图所示，则则() A电子将向右偏转电子将向右偏转，速率不变速率不变 B电子将向左偏转电子将向左

9、偏转，速率改变速率改变 C电子将向左偏转电子将向左偏转，速率不变速率不变 D电子将向右偏转电子将向右偏转，速率改变速率改变 A由安培定则可判定直线电流右侧磁场的方向垂直纸面向里由安培定则可判定直线电流右侧磁场的方向垂直纸面向里， 根据左手定根据左手定 则可判定电子所受洛伦兹力向右，由于洛伦兹力不做功，故电子动能不变，速则可判定电子所受洛伦兹力向右，由于洛伦兹力不做功，故电子动能不变，速 率不变。率不变。 洛伦兹力的方向洛伦兹力的方向 1没有磁场时没有磁场时，接通高压电源可以观察到什么现象？接通高压电源可以观察到什么现象？ 2光束实质上是什么？光束实质上是什么？ 3若在电子束的路径上加磁场若在电

10、子束的路径上加磁场，可以观察到什么现象？可以观察到什么现象？ 提示：提示：1.电子束沿直线运动电子束沿直线运动2.电子束电子束3.弯曲弯曲 1决定洛伦兹力方向的三个因素决定洛伦兹力方向的三个因素：电荷的正负电荷的正负、速度方向速度方向、磁感应强度的磁感应强度的 方向方向。当电性一定时当电性一定时，其他两个因素决定洛伦兹力的方向其他两个因素决定洛伦兹力的方向，如果只让一个反向如果只让一个反向， 则洛伦兹力必定反向；则洛伦兹力必定反向； 如果让两个同时反向如果让两个同时反向，则洛伦兹力方向不变则洛伦兹力方向不变。 2洛伦兹力的特点洛伦兹力的特点：洛伦兹力的方向随电荷运动方向的变化而变化洛伦兹力的方

11、向随电荷运动方向的变化而变化。 。但无但无 论怎样变化论怎样变化，洛伦兹力都与电荷运动方向垂直洛伦兹力都与电荷运动方向垂直，故洛伦兹力永不做功故洛伦兹力永不做功，它只改它只改 变电荷的运动方向变电荷的运动方向，不改变电荷的速度大小不改变电荷的速度大小。 3用左手定则判定负电荷在磁场中运动所受的洛伦兹力时用左手定则判定负电荷在磁场中运动所受的洛伦兹力时， ，应注意将四指应注意将四指 指向负电荷运动的反方向指向负电荷运动的反方向。 【例【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，其其 中垂直于纸面指向纸里的是中垂直于纸面指向纸

12、里的是() ABCD 思路点拨：思路点拨：(1)明确磁场方向，带电粒子速度方向，带电粒子电性情况。明确磁场方向，带电粒子速度方向，带电粒子电性情况。 (2)利用左手定则判断带电粒子所受的洛伦兹力的方向。利用左手定则判断带电粒子所受的洛伦兹力的方向。 D根据左手定则可以判断根据左手定则可以判断， 选项选项 A 中的负电荷所受的洛伦兹力方向向下中的负电荷所受的洛伦兹力方向向下； 选项选项 B 中的负电荷所受的洛伦兹力方向向上；选项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；选项力方向垂直于纸面指向纸外；选项 D 中的正电荷所受

13、的洛伦兹力方向垂直于纸中的正电荷所受的洛伦兹力方向垂直于纸 面指向纸里，面指向纸里，D 正确。正确。 1 洛伦兹力永不做功，虽然安培力是洛伦兹力的宏观表现，但安培力可以洛伦兹力永不做功，虽然安培力是洛伦兹力的宏观表现，但安培力可以 做功。做功。 2 利用左手定则判断洛伦兹力方向时，四指指向也可以理解为总是指向等利用左手定则判断洛伦兹力方向时，四指指向也可以理解为总是指向等 效电流的方向。效电流的方向。 3 无论磁感应强度无论磁感应强度 B 的方向与电荷运动的速度方向是否垂直，洛伦兹力的的方向与电荷运动的速度方向是否垂直，洛伦兹力的 方向一定垂直于方向一定垂直于 B 和和 v 所决定的平面。所决

14、定的平面。 跟进训练跟进训练 1三种不同粒子三种不同粒子 a、b、c 从从 O 点沿同一方向在垂直纸面向里的匀强磁场中点沿同一方向在垂直纸面向里的匀强磁场中 的运动轨迹分别如图所示的运动轨迹分别如图所示，则则() A粒子粒子 a 一定带正电一定带正电 B粒子粒子 b 一定带正电一定带正电 C粒子粒子 c 一定带正电一定带正电 D粒子粒子 b 一定带负电一定带负电 A由图知，粒子由图知，粒子 a 受力向左，据左手定则可知，粒子受力向左，据左手定则可知，粒子 a 带正电，故带正电，故 A 正正 确确；粒子粒子 b 未发生偏转未发生偏转，所以不带电所以不带电，故故 B、D 错误错误；粒子粒子 c 受

15、力向右受力向右，由左手由左手 定则知，粒子定则知，粒子 c 带负电，故带负电，故 C 错误，故选错误，故选 A。 洛伦兹力的大小洛伦兹力的大小 安培力是洛伦兹力的宏观表现安培力是洛伦兹力的宏观表现，洛伦兹力大小可能会与哪些因素有关？洛伦兹力大小可能会与哪些因素有关？ 提示：提示：磁感应强度、速度、电荷电量。磁感应强度、速度、电荷电量。 1洛伦兹力大小的推导洛伦兹力大小的推导(导线与磁场垂直的情况导线与磁场垂直的情况) 如图所示如图所示，设有一段长度为设有一段长度为 L 的通电导线的通电导线，垂直放入磁感应强度为垂直放入磁感应强度为 B 的匀的匀 强磁场中强磁场中。若导线中的电流为若导线中的电流

16、为 I，则该导线所受的安培力大小为则该导线所受的安培力大小为 F安 安 ILB。 若导线的横截面积为若导线的横截面积为 S，单位体积内含有的自由电荷数为单位体积内含有的自由电荷数为 n，每个自由电荷每个自由电荷 的电荷量为的电荷量为 q， 定向移动的速度为定向移动的速度为 v， 则在时间则在时间 t 内通过截面的电荷量内通过截面的电荷量 QnSvtq。 由电流的定义由电流的定义知知IQ t nSvtq t nSvq， 这段导线内含有的自由电荷数这段导线内含有的自由电荷数为为NnSL。 整段导线所受的安培整段导线所受的安培力力F安 安可看成是作用在每个运动电荷上的洛伦兹 可看成是作用在每个运动电

17、荷上的洛伦兹力力F的的 合力合力，即即 F安 安 NF，则每个自由电荷所受洛伦兹力则每个自由电荷所受洛伦兹力 F 的大小为的大小为 FqvB。 2洛伦兹力与电场力的比较洛伦兹力与电场力的比较 洛伦兹力洛伦兹力电场力电场力 产生条件产生条件 (1)电荷电荷相对于磁场运动相对于磁场运动 (2)运动方向与磁场方向不平运动方向与磁场方向不平 行行 只要电荷在电场中只要电荷在电场中，就一定受到就一定受到 电场力的作用电场力的作用 大小大小FqvBsin FqE 受力方向受力方向 垂直于垂直于 B 和和 v 所决定的平面所决定的平面， 但但 B 和和 v 不一定垂直不一定垂直 沿着电场线的切线方向或反方向

18、沿着电场线的切线方向或反方向 作用效果作用效果 只改变电荷运动的速度方向只改变电荷运动的速度方向， 不改变速度大小不改变速度大小 既可以改变电荷运动的速度大既可以改变电荷运动的速度大 小小，也可以改变电荷运动的方向也可以改变电荷运动的方向 做功特点做功特点永不做功永不做功可做功可做功，也可不做功也可不做功 【例【例 2】如图所示如图所示，匀强磁场的磁感应强度为匀强磁场的磁感应强度为 B，方向垂直于纸面向外方向垂直于纸面向外， 质量为质量为 m、带电荷量为带电荷量为 q 的小球在倾角为的小球在倾角为的光滑斜面上由静止开始下滑的光滑斜面上由静止开始下滑。若带若带 电小球下滑后某个时刻对斜面的压力恰

19、好为零电小球下滑后某个时刻对斜面的压力恰好为零，问：问： (1)小球的带电性质如何？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？此时小球下滑的速度和位移分别为多大？ 思路点拨：思路点拨：(1)根据小球的运动情况判断出洛伦兹力的方向，再根据左手定根据小球的运动情况判断出洛伦兹力的方向，再根据左手定 则判断小球的电性。则判断小球的电性。 (2)斜面光滑且洛伦兹力不做功，故小球沿斜面做匀变速直线运动。斜面光滑且洛伦兹力不做功，故小球沿斜面做匀变速直线运动。 解析解析(1)小球沿斜面下滑小球沿斜面下滑，其对斜面的压力为零其对斜面的压力为零，说明其受到的洛伦兹力说明其受到的洛伦兹力

20、应垂直斜面向上，根据左手定则可判断小球带正电。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，有当小球对斜面压力为零时，有 mgcos qvB 得小球此时的速度为得小球此时的速度为 vmgcos qB 由于小球沿斜面方向做匀加速运动，加速度为由于小球沿斜面方向做匀加速运动，加速度为 agsin 由匀变速直线运动的位移公式由匀变速直线运动的位移公式 v22ax 得得 x m2gcos2 2q2B2sin 。 。 答案答案(1)带正电带正电(2)mgcos qB m2gcos2 2q2B2sin 分析带电粒子在磁场中的运动，分析方法与力学中完全一样：对物体进行分析带电

21、粒子在磁场中的运动，分析方法与力学中完全一样：对物体进行 受力分析，求合外力，用牛顿第二定律、运动学方程或动能定理列方程。受力分析，求合外力，用牛顿第二定律、运动学方程或动能定理列方程。 跟进训练跟进训练 2如图为说明电视机显像管偏转线圈作用的示意图如图为说明电视机显像管偏转线圈作用的示意图。当线圈中通过图示方当线圈中通过图示方 向的电流时向的电流时，一束沿中心轴线一束沿中心轴线 O 自纸内射向纸外的电子流将自纸内射向纸外的电子流将() A向左偏转向左偏转B向右偏转向右偏转 C向上偏转向上偏转D向下偏转向下偏转 B由由题题图知该线圈可等效为两个通电螺线管，由安培定则可判断，线圈图知该线圈可等效

22、为两个通电螺线管，由安培定则可判断，线圈 下端为下端为 N 极，因此极，因此 O 点磁场方向向上，然后由左手定则可判断电子流向右偏，点磁场方向向上，然后由左手定则可判断电子流向右偏， 故故 B 正确。正确。 1关于电场力与洛伦兹力关于电场力与洛伦兹力，以下说法正确的是以下说法正确的是() A电荷只要处在电场中电荷只要处在电场中，就会受到电场力就会受到电场力，而电荷静止在磁场中 而电荷静止在磁场中，也可能也可能 受到洛伦兹力受到洛伦兹力 B电场力对在电场中的电荷一定会做功电场力对在电场中的电荷一定会做功，而洛伦兹力对在磁场中的电荷却而洛伦兹力对在磁场中的电荷却 不会做功不会做功 C电场力与洛伦兹

23、力一样电场力与洛伦兹力一样，受力方向都在电场线和磁感线上受力方向都在电场线和磁感线上 D只有运动的电荷在磁场中才会受到洛伦兹力的作用只有运动的电荷在磁场中才会受到洛伦兹力的作用 D静止在磁场中的电荷不可能受到洛伦兹力，静止在磁场中的电荷不可能受到洛伦兹力，A 错误；尽管电场力对电错误；尽管电场力对电 荷可以做功荷可以做功，但如果电荷在电场中不动或沿等势面移动但如果电荷在电场中不动或沿等势面移动，电场力做功为零电场力做功为零，B 错错 误；洛伦兹力的方向与磁感线垂直，与运动方向垂直，误；洛伦兹力的方向与磁感线垂直，与运动方向垂直，C 错误，错误，D 正确。正确。 2关于带电粒子所受洛伦兹力关于带

24、电粒子所受洛伦兹力 F、磁感应强度磁感应强度 B 和粒子速度 和粒子速度 v 三者方向之三者方向之 间的关系间的关系，下列说法正确的是下列说法正确的是() AF、B、v 三者必定均保持垂直三者必定均保持垂直 BF 必定垂直于必定垂直于 B、v，但但 B 不一定垂直于不一定垂直于 v CB 必定垂直于必定垂直于 F、v，但但 F 不一定垂直于不一定垂直于 v Dv 必定垂直于必定垂直于 F、B，但但 F 不一定垂直于不一定垂直于 B B由左手定则可知由左手定则可知 FB，Fv，B 与与 v 可以不垂直可以不垂直，故故 B 正确正确，A、C、 D 错误。错误。 3带电油滴以水平向右的速度带电油滴以

25、水平向右的速度 v0垂直进入磁场垂直进入磁场，恰做匀速直线运动恰做匀速直线运动，如图如图 所示所示，若带电油滴质量为若带电油滴质量为 m，磁感应强度为磁感应强度为 B，则下述说法正确的是则下述说法正确的是() A油滴必带正电荷油滴必带正电荷，电荷量为电荷量为 mg v0B B油滴必带正电荷油滴必带正电荷，比荷为比荷为 q m q v0B C油滴必带负电荷油滴必带负电荷，电荷量为电荷量为 mg v0B D油滴带什么电性都可以油滴带什么电性都可以，只要满足只要满足 q mg v0B C由于带电油滴进入磁场中恰做匀速直线运动，且受到的重力向下，洛由于带电油滴进入磁场中恰做匀速直线运动，且受到的重力向

26、下，洛 伦兹力方向必定向上伦兹力方向必定向上。由左手定则可知油滴一定带负电荷由左手定则可知油滴一定带负电荷，且满足且满足 mgqv0B 0。所以。所以 q mg v0B，故 ，故 C 正确。正确。 4在阴极射线管中电子流方向由左向右在阴极射线管中电子流方向由左向右， ，其上方置一根通有如图所示电流其上方置一根通有如图所示电流 的直导线的直导线，导线与阴极射线管平行导线与阴极射线管平行，则阴极射线将会则阴极射线将会() A向上偏转向上偏转B向下偏转向下偏转 C向纸内偏转向纸内偏转D向纸外偏转向纸外偏转 B由题意可知，直线电流的方向由左向右，根据右手定则，可判定直导由题意可知，直线电流的方向由左向

27、右，根据右手定则，可判定直导 线下方的磁场方向为垂直纸面向里，而阴极射线电子运动方向由左向右，由左线下方的磁场方向为垂直纸面向里，而阴极射线电子运动方向由左向右，由左 手定则知手定则知(电子带负电电子带负电， 四指要指向其运动方向的反方向四指要指向其运动方向的反方向)， 阴极射线将向下偏转阴极射线将向下偏转， B 正确。正确。 5用一根长用一根长 L0.8 m 的轻绳的轻绳，吊一质量为吊一质量为 m1 g 的带电小球的带电小球，放在磁感放在磁感 应强度应强度 B1 T，方向如图所示的匀强磁场中方向如图所示的匀强磁场中，将小球拉到与悬点等高处由图示将小球拉到与悬点等高处由图示 位置静止释放位置静

28、止释放，小球便在垂直于磁场的竖直面内摆动小球便在垂直于磁场的竖直面内摆动，当球第一次摆到当球第一次摆到最最低点低点 时时， 悬线的张力恰好为零悬线的张力恰好为零(重力加速度重力加速度 g10 m/s2)， 则小球第二次经过最低点时则小球第二次经过最低点时， 悬线对小球的拉力多大？悬线对小球的拉力多大？ 解析解析小球第一次到达最低点速度为小球第一次到达最低点速度为 v，则，则 由动能定律可得：由动能定律可得：mgL1 2mv 2 由圆周运动规律及牛顿第二定律可知由圆周运动规律及牛顿第二定律可知 第一次经过最低点时：第一次经过最低点时：Bqvmgmv 2 L 第二次经过最低点时：第二次经过最低点时：FqvBmgmv 2 L 综上解得：综上解得：F 0.06 N。 答案答案0.06 N