人教版 (2019)第一章 安培力与洛伦兹力2 磁场对运动电荷的作用力优秀学案

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【学习目标】
1.通过实验，认识洛伦兹力。能判断洛伦兹力的方向，会计算洛伦兹力的大小。了解洛伦兹力在生产生活中的应用。
2.经历由安培力公式推导出洛伦兹力公式的过程，体会模型建构与演绎推理的方法。经历一般情况下洛伦兹力表达式的得出过程，进一步体会矢量分析的方法。
3.了解显像管的基本构造及工作的基本原理，认识电子束的磁偏转，体会物理知识与科学技术的关系。
【学习重难点】
1、教学重点：安培力的方向和大小
2、教学难点：安培力、电流和磁感应强度三者的空间关系
【知识回顾】
一、安培力的方向
1．安培力：通电导线在磁场中受的力。
2．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；让磁感线从掌心垂直进入，并使四指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。
3．安培力方向与磁场方向、电流方向的关系：F⊥B，F⊥I，即F垂直于B和I所决定的平面。
二、安培力的大小
1．垂直于磁场B的方向放置的长为l的一段导线，当通过的电流为I时，它所受的安培力F＝IlB。
2．当磁感应强度B的方向与通电导线的方向平行时，导线所受安培力为eq \a\vs4\al(0)。
3．当磁感应强度B的方向与导线成θ角时，导线所受安培力F＝IlBsin_θ。
【自主预习】
一、洛伦兹力的方向
1．洛伦兹力的定义
运动电荷在磁场中受到的力称为洛伦兹力。
2．洛伦兹力的方向
(1)判断方法：左手定则。
(2)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；让磁感线从掌心垂直进入，并使四指指向eq \a\vs4\al(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，如图所示。负电荷受力的方向与正电荷受力的方向相反。
二、洛伦兹力的大小
1．电荷量为q的粒子以速度v运动时，如果速度方向与磁感应强度方向垂直，则F＝qvB。
2．当电荷沿磁场方向运动(即v与B的夹角θ＝0或v∥B)时，F＝eq \a\vs4\al(0)。
3．当电荷运动的方向与磁场的方向夹角为θ时，F＝qvBsin_θ。
三、电子束的磁偏转
1．显像管的构造：电子枪、偏转线圈和荧光屏。
2．显像管的原理
(1)电子枪发射电子。
(2)电子束在磁场中偏转。
(3)荧光屏被电子束撞击发光。
3．扫描：在偏转区的水平方向和竖直方向都有偏转磁场，其方向、强弱都在不断变化，使得电子束打在荧光屏上的光点不断移动，这在显示技术中叫作扫描。
【课堂探究】
【新课导入】
电视机是一种必备的家用电器，电视机显像原理是电子流撞击荧光屏，使之发亮而产生图像，请欣赏电视机显像管结构及显像管原理示意图。
电视机显像管中的电子只是细细的一束，为什么能使整个屏幕发光？
学生提出自己的猜想。
磁场对通电导线有作用力，电流是如何形成的，你有什么启发？
磁场可能对运动电荷有力的作用。
如何用实验验证？
磁场对运动电荷的作用力洛伦兹力。
洛伦兹力大小和方向有什么规律？
学生根据预习或已学知识回答问题。
【新课教学】
任务一、洛伦兹力的方向
洛伦兹力方向有什么规律
请你结合以前所学知识，你认为洛伦兹力方向有什么规律？
猜想：磁场对电流的作用力实质是磁场对运动电荷的作用力，洛伦兹力的方向可以用左手定则判定。
如何用实验验证这一猜想？
学生观看视频或做实验。
梳理实验现象：
实验表明：洛伦兹力的方向可以用左手定则判定。
左手定则
伸开左手，使拇指和其余四指垂直，并且都与手掌在同一平面内，让磁感线从掌心进入，并使四指指向正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向，这时拇指所指的方向就是该电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。
洛伦兹力的特点
F既与B垂直又与v垂直，即垂直于B和v所确定的平面，但B与v不一定垂直洛伦兹力对物体的运动能起到什么作用？
洛伦兹力对电荷不做功,只改变粒子速度的方向，不改变粒子速度的大小。
任务二、洛伦兹力的大小
洛伦兹力的大小
你能根据洛伦兹力与安培力关系，尝试推导速度垂直入射磁场时受到的洛伦兹力的大小吗？
每个自由电荷所受的洛伦兹力大小 ：
若此电子不垂直射入磁场，电子受到的洛伦兹力又如何呢 ？
F＝qvBsin θ，θ为电荷运动的方向与磁感应强度方向的夹角：
①当θ＝90°时：v⊥B，sin θ＝1，F＝qvB，即运动方向与磁场垂直时，洛伦兹力最大。
②当v∥B 时：θ＝0°，sin θ＝0，F＝0，即运动方向与磁场平行时，不受洛伦兹力。
③当电荷静止于磁场中时（v =0）: F洛＝0 (即静止电荷不受洛伦兹力)
洛伦兹力和电场力的比较
任务三、洛伦兹力的实际应用
电子束的磁偏转
现在，你可以解释为什么电视机显像管中的电子束为什么能打到荧光屏的每一个点了吗？
显像管
洛伦兹力的方向与粒子的运动速度方向垂直，当粒子在磁场中运动时，粒子受到洛伦兹力的作用，从而发生偏转。显像管电视机中就应用了电子束磁偏转的原理。
速度选择器
平行板中电场强度E和磁感应强度B互相垂直，这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器。请思考它能选择出来多大的速度的粒子？
若qE=Bqv，粒子将以速度v做匀速直线
即粒子将以速度v做匀速直线
若向上偏，若向下偏
若将粒子从右边射入，粒子还能在速度选择器中做匀速直线运动吗？
不仅选择速度的大小，还选择速度的方向。
磁流体发电机
平行金属板 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、负带电粒子）喷入磁场，电荷在洛伦兹力偏转运动到两金属板，让两金属板带上等量异种电荷，这样两极板间便产生了电势U,U会不断增大吗？
Bqv＝qE
得：U＝Bdv
正负电子对撞机
观看视频，并记录原理。
5.极光及极光的形成
极光（Aurra），是在地球南北两极附近地区的高空，夜间出现的灿烂美丽的光辉。在南极被称为南极光，在北极被称为北极光。下面请欣赏极光美景。
带电粒子为什么只在地球的两极或维度较高的地方引起极光？
观看视频，并记录原理。
【自我测评】
1．下列有关洛伦兹力和安培力的描述，正确的是( )
A．通电直导线在匀强磁场中一定受到安培力的作用
B．安培力是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现
C．带电粒子在匀强磁场中运动，受到的洛伦兹力做正功
D．通电直导线在磁场中受到的安培力方向与磁场方向平行
【答案】B
【详解】当电流方向与磁场方向平行时，通电直导线不受安培力，故A错误；导线中定向移动的电荷受到的洛伦兹力在宏观上表现为导线受到的安培力，所以说安培力是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现，B正确；洛伦兹力的方向与带电粒子运动方向始终垂直，因此洛伦兹力对带电粒子不做功，C错误；通电直导线在磁场中受到的安培力方向与磁场方向垂直，D错误。
2．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所示，则( )
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
【答案】A
【详解】由安培定则可知直线电流右侧磁场的方向垂直纸面向里，根据左手定则可知电子所受洛伦兹力方向向右，由于洛伦兹力不做功，电子速率不变，选项A正确。
3．带电荷量为＋q的粒子在匀强磁场中运动，下列说法正确的是( )
A．只要速度大小相同，所受洛伦兹力就相同
B．如果把＋q改为－q，且速度反向、大小不变，则洛伦兹力的大小、方向均不变
C．洛伦兹力方向一定与电荷速度方向垂直，磁场方向一定与电荷运动方向垂直
D．粒子在只受洛伦兹力作用下运动的动能、速度均不变
【答案】B
【详解】洛伦兹力的大小不但与粒子速度大小有关，而且与粒子速度的方向有关。例如，当粒子速度与磁场垂直时，F＝qvB；当粒子速度与磁场平行时，F＝0。又由于洛伦兹力的方向永远与粒子的速度方向垂直，速度方向不同时，洛伦兹力的方向也不同。所以A选项错误。因为＋q 改为－q且速度反向时所形成的电流方向与原＋q运动形成的电流方向相同，由左手定则可知洛伦兹力方向不变，再由F＝qvB知大小不变，所以B选项正确。因为粒子进入磁场时的速度方向可以与磁场方向成任意夹角，所以C选项错误。因为洛伦兹力总与速度方向垂直，因此洛伦兹力不做功，粒子动能不变，但洛伦兹力可改变粒子的运动方向，使粒子速度的方向不断改变，所以D选项错误。
4．如图所示，两个平行金属板M、N间为一个正交的匀强电场和匀强磁场区域，电场方向由M板指向N板，磁场方向垂直纸面向里，OO′为距离两极板相等且平行两极板的直线。一质量为m、电荷量为＋q的带电粒子，以速度v0从O点射入，沿OO′方向匀速通过此场区，不计带电粒子的重力，则以下说法正确的是( )
A．电荷量为－q的粒子以v0从O点沿OO′方向射入时，不能匀速通过场区
B．电荷量为2q的粒子以v0从O点沿OO′方向射入时，不能匀速通过场区
C．保持电场强度和磁感应强度大小不变，方向均与原来相反，则粒子仍能匀速通过场区
D．粒子以速度v0从右侧的O′点沿O′O方向射入，粒子仍能匀速通过场区
【答案】C
【详解】由题意知带正电的粒子能从左向右匀速通过场区，则竖直向上的洛伦兹力与竖直向下的电场力平衡，有qE＝Bqv0，解得v0＝eq \f(E,B)，可知平衡条件与电荷量的多少无关，因此电荷量为－q和2q的粒子以v0入射，都能从左向右匀速通过场区，A、B错误；当电场方向与磁场方向都与原来相反时，粒子所受电场力和洛伦兹力的方向仍相反，所以粒子以v0从O点沿OO′方向射入时仍能匀速通过场区，C正确；若粒子以速率v0从右侧的O′点沿O′O方向射入，粒子受到竖直向下的电场力与竖直向下的洛伦兹力，二力不能平衡，因此粒子不能匀速通过场区，D错误。
5．如图所示，一质量为m、电荷量为q的带正电绝缘物块位于高度略大于物块高度的水平宽敞绝缘隧道中，隧道足够长，物块上、下表面与隧道上、下表面的动摩擦因数均为μ，整个空间存在垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场。现给物块水平向右的初速度v0，空气阻力忽略不计，物块电荷量不变，则物块( )
A．一定做匀速直线运动
B．一定做减速运动
C．可能先减速后匀速运动
D．可能加速运动
【答案】C
【详解】根据左手定则可知物块受到的洛伦兹力方向向上，如果洛伦兹力等于重力，则物块做匀速直线运动。如果洛伦兹力小于重力，物块与隧道下表面间存在摩擦力，物块做减速运动；如果洛伦兹力大于重力，物块与隧道上表面间存在摩擦力，物块也做减速运动，当减速到洛伦兹力等于重力时物块做匀速运动，故选项C正确。
【学后反思】本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？