25-26学年物理(人教版)选择性必修二课件：1.2 磁场对运动电荷的作用力

第2节　磁场对运动电荷的作用力第一章　安培力与洛伦兹力1.知道什么是洛伦兹力,会用左手定则判断洛伦兹力的方向。2.掌握洛伦兹力公式的推导过程,会计算洛伦兹力的大小。3.知道电视显像管的基本构造及工作的基本原理。学习目标知识点1知识点二　洛伦兹力的大小知识点一　洛伦兹力的方向知识点三　电子束的磁偏转知识点一　洛伦兹力的方向　　　如图所示,阴极射线管发出的高速电子流,电子由阴极向阳极运动过程中,不加磁场时电子的径迹是直线,为什么加了如图所示的磁场后电子在运动过程中向下偏转?提示　不加磁场时电子不受磁场力的作用,加上磁场后电子受到磁场力的作用向下偏转。该力的方向由磁场方向和电子运动的方向共同决定。1.洛伦兹力:________ 在_______中受到的力。2.左手定则:伸开左手,使拇指与其余四个手指______,并且都与手掌在同一个平面内;让磁感线从______垂直进入,并使______指向_______运动的方向,这时______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。磁场垂直掌心四指正电荷拇指运动电荷说明:①对于负电荷,四指指向电荷运动的反方向。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所决定的平面。F、B、v三个量的方向关系是:F⊥B,F⊥v,但B与v不一定垂直,如图甲、乙所示。【思考】1.在电场中,无论电荷是静止还是运动,在同一位置,受到相同的静电力作用;那么电荷在磁场中受到力的大小及方向与电荷的运动是否有关?提示　电荷在磁场中所受力的大小、方向与电荷的速度大小、方向均有关。电荷不运动,或运动方向与磁场方向平行时,不受磁场力作用;只有当电荷在磁场中运动方向与磁场方向不平行时才受到磁场力作用。2.根据洛伦兹力的方向与运动电荷速度方向的关系,请思考:洛伦兹力对运动电荷的速度有什么影响?洛伦兹力对运动电荷做功吗?提示　洛伦兹力的方向始终与运动电荷速度方向垂直,故洛伦兹力只改变电荷运动的方向,不改变电荷速度的大小,即洛伦兹力对运动电荷不做功。3.用左手定则判断安培力方向与判断洛伦兹力方向时有什么区别与联系?提示　都是磁感线从掌心垂直进入,拇指指向受力方向,不同的是判断安培力方向时四指指向电流方向,判断洛伦兹力方向时四指指向正电荷运动方向或负电荷运动反方向,而正电荷的定向运动方向或负电荷定向运动的反方向即电流的方向。例1 试判断下列图中的带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的方向,其中垂直纸面向里的是(　　)D解析　根据左手定则可以判断,选项A中的带电粒子所受的洛伦兹力方向向下;选项B中的带电粒子所受的洛伦兹力方向向上;选项C中的带电粒子所受的洛伦兹力方向垂直纸面向外;选项D中的带电粒子所受的洛伦兹力方向垂直纸面向里,D正确。知识点二　洛伦兹力的大小　　　如图所示,磁场的磁感应强度为B。设磁场中有一段通电导线,横截面积为S,单位体积中含有的自由电荷数为n,每个自由电荷的电荷量为q且定向运动的速率都是v。 (2)图中一段长度为vt的导线在磁场中所受安培力多大?(3)每个自由电荷所受洛伦兹力大小?提示　(2)安培力F安=IlB=nqv2StB。(3)整段导线所受的安培力F安,可看成是作用在每个自由电荷上的洛伦兹力F洛的合力,即F安=NF洛,则每个自由电荷所受洛伦兹力的大小为F洛=qvB。1.洛伦兹力的大小(1)当v与B成θ角时:F=_________。 (2)当v⊥B时:F=_____。(3)当v∥B时:F=___。qvBsin θqvB02.洛伦兹力的特点(1)运动的电荷才有可能受到洛伦兹力作用,静止的电荷在磁场中不受洛伦兹力作用。(2)洛伦兹力的大小和方向都与带电粒子的运动状态有关。3.安培力与洛伦兹力的比较【思考】(1)运动电荷在某处不受洛伦兹力作用,该处的磁感应强度一定为零吗?(2)影响运动电荷所受洛伦兹力大小的因素有哪些?(3)公式F=qvB中,v是电荷相对磁场的运动速度,若电荷不动,磁场以速度v运动,此时运动电荷是否还受洛伦兹力?若受洛伦兹力,如何确定其大小和方向?提示 　(1)运动电荷在某处不受洛伦兹力作用,可能是因为该处磁感应强度为0,也可能因为运动电荷的速度方向与磁感应强度方向平行。(2)由F=qvBsin θ可知,运动电荷所受洛伦兹力的大小与电荷量q、运动速度v、磁感应强度B以及速度v和磁感应强度B的夹角有关。(3)仍然受洛伦兹力作用,可等效为磁场静止而电荷相对磁场以速度v运动,由F=qvB计算大小,由左手定则判断方向。B例2 (2025·福建三明高二月考)如图所示,匀强磁场的磁感应强度为B,带电粒子(电性已在图中标出)的速率为v,带电荷量为q,则关于带电粒子所受洛伦兹力的大小和方向说法正确的是(　　)A.图甲F洛=qvB,方向与v垂直斜向下B.图乙F洛=qvB,方向与v垂直斜向上C.图丙F洛=qvB,方向垂直纸面向里D.图丁F洛=qvB,方向垂直纸面向里 例3 如图所示,来自太阳和其他星体的宇宙射线含有大量高能带电粒子,幸好由于地磁场的存在而改变了这些带电粒子的运动方向,使很多带电粒子不能到达地面,避免了其对地面上生命的危害。已知北京上空某处由南指向北的磁感应强度为1.2×10-4 T,如果有一速率v=5.0×105 m/s、电荷量q=1.6×10-19 C的质子竖直向下运动穿过此处的地磁场。(1)此时该质子受到的洛伦兹力是多大?向哪个方向偏转?解析　已知质子运动方向与地磁场方向垂直,根据洛伦兹力计算公式,得F=qvB=1.6×10-19×5.0×105×1.2×10-4 N=9.6×10-18 N。根据左手定则可知,质子受到的洛伦兹力由西向东,因此质子向东偏转。答案　见解析(2)在地球两极处地磁场方向可近似认为垂直于地面,在赤道处地磁场方向可近似认为由地理南极指向地理北极。那么,地球两极处和赤道处相比,哪个区域地磁场对高能带电粒子的阻挡效果更好?为什么?解析　由于地球两极处地磁场可近似认为垂直于地面,因此竖直向下的带电粒子运动方向与两极处的磁场方向平行,在南北两极不受洛伦兹力,地磁场对宇宙射线的阻挡效果较弱。而在赤道附近,地磁场的方向由地理南极指向地理北极,带电粒子运动方向与磁场的方向垂直,带电粒子受到了洛伦兹力的作用,所以对宇宙射线的阻挡效果强。答案　见解析知识点三　电子束的磁偏转　　　如图所示为显像管原理图,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。显像管原理示意图(俯视图)(1)要使电子束在水平方向偏离中心,打在荧光屏上的A点,偏转磁场应该沿什么方向?(2)要使电子束打在B点,磁场应该沿什么方向?(3)要使电子束打在荧光屏上的位置由B点逐渐向A点移动,偏转磁场应该怎样变化?提示　(1)垂直纸面向外(2)垂直纸面向里(3)先垂直纸面向里逐渐减小至零,再垂直纸面向外逐渐增大1.显像管的构造:如图所示,主要由电子枪、_________和荧光屏组成。偏转线圈显像管原理示意图2.原理(1)电子枪________________。(2)电子束在磁场中_________。(3)荧光屏被电子束撞击________。发射高速电子偏转发光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___________,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。不断变化BD例4 (多选)(教材P10思考与讨论改编)如图甲所示是电视机显像管原理示意图(俯视图),没有磁场时电子束打在荧光屏正中央的O点。为了使电子束偏转,由安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场。偏转磁场的磁感应强度B随时间变化的规律如图乙所示,可实现电子束打在荧光屏上的AOB区域,规定垂直平面向里时磁场方向为正,下列说法正确的是(　　)  随堂对点自测2ACD1.(洛伦兹力的方向)(多选)一束混合粒子流从一发射源射出后,进入如图所示的磁场,分离为1、2、3三束粒子流,则下列选项正确的是(　　 )A.1带正电B.1带负电C.2不带电D.3带负电解析　根据左手定则,带正电的粒子向左偏,即粒子1带正电;不偏转说明不带电,即粒子2不带电;带负电的粒子向右偏,即粒子3带负电。故A、C、D正确。C2.(洛伦兹力的大小)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、下表面间的动摩擦因数均为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.可能加速运动解析　根据左手定则可知物块受到的洛伦兹力方向向上,如果洛伦兹力大小等于重力,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,物块做减速运动直到速度为零,如果洛伦兹力大于重力,物块与隧道上表面间存在摩擦力,物块先做减速运动,当减速到洛伦兹力大小等于重力时做匀速运动,故选项C正确。B3.(电子束的磁偏转)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向的电流时,一束沿中心轴线O自纸内射向纸外的电子流将(　　)A.向左偏转B.向右偏转C.向上偏转D.向下偏转解析　由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,线圈下端为N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,故B正确。课后巩固训练3BD题组一　洛伦兹力的方向1.(多选)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作用,则该处的磁感应强度可能不为零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基础对点练解析　在磁感应强度不为零的地方,若是电荷的运动方向与磁场方向相同或相反,则所受洛伦兹力为零,A错误;运动电荷在某处不受洛伦兹力作用,该处磁感应强度可能为零,也可能是电荷的运动方向与磁场方向共线,B正确;根据左手定则可知,洛伦兹力方向始终和速度方向垂直,因此洛伦兹力不做功,不改变粒子动能,但是改变其运动方向,C错误,D正确。A2.(2025·黑龙江哈尔滨期末)如图所示,各带电粒子均以速度v射入匀强磁场,其中图C中v的方向垂直纸面向里,图D中v的方向垂直纸面向外,哪个带电粒子所受洛伦兹力的方向竖直向上(　　)解析　根据左手定则可知,图A中正电荷受到的洛伦兹力方向竖直向上,故A正确;根据左手定则可知,图B中负电荷受到的洛伦兹力方向垂直纸面向里,故B错误;图C中v的方向垂直纸面向里,根据左手定则可知,正电荷受到的洛伦兹力方向向右,故C错误;图D中v的方向垂直纸面向外,根据左手定则可知,负电荷受到的洛伦兹力方向竖直向下,故D错误。B3.(2025·西北工业大学附属中学期中)如图所示,将一阴极射线管置于一通电螺线管的正上方且与线圈轴线处于同一水平面内,则阴极射线将(　　)A.垂直于纸面向里偏转B.垂直于纸面向外偏转C.平行于纸面向上偏转D.平行于纸面向下偏转解析　根据安培定则,螺线管内部的磁场方向向下,电子从阴极向阳极运动,运动的方向向右,因为电子带负电,根据左手定则知,电子所受的洛伦兹力方向垂直纸面向外,则阴极射线管中的电子束将垂直纸面向外偏转,故B正确。C题组二　洛伦兹力的大小4.(2025·海南儋州月考)在B=2 T的匀强磁场中,一质量m=1 kg带正电q=1 C的物体沿光滑的绝缘水平面以初速度v0=10 m/s向左运动,g=10 m/s2,如图,运动过程中物体受地面给的支持力的大小为(　　)A.10 NB.20 NC.30 ND.0 N解析　物体所受洛伦兹力的大小为F=qv0B=1×10×2 N=20 N,由左手定则可知洛伦兹力的方向竖直向下,运动过程中物体受地面给的支持力的大小为FN=mg+F=1×10 N+20 N=30 N,故C正确。C5.两个带电粒子以相同的速度垂直磁感线方向进入同一匀强磁场,两粒子质量之比为1∶4,电荷量之比为1∶2,则刚进入磁场时两带电粒子所受洛伦兹力大小之比为(　　)A.2∶1 B.1∶1C.1∶2D.1∶4解析　带电粒子的速度方向与磁感线方向垂直时,洛伦兹力F=qvB,在B、v相同时,F与电荷量q成正比,与质量无关,所以洛伦兹力大小之比为1∶2,C项正确。AC6.(多选)(2025·陕西汉中高二期中)如图所示,纸面内的△OPQ为等边三角形(OP边水平),在O、P两点放有垂直于纸面的直导线(图中未画出),O点处导线中的电流方向垂直纸面向外,P点处导线中的电流方向垂直纸面向里,每根导线在Q点产生磁场的磁感应强度大小均为B。若某时刻有一电子(电荷量为e)正好经过Q点,速度大小为v,方向垂直纸面向里,则该电子经过Q点时所受的洛伦兹力(　　) 解析　O点处导线中的电流方向垂直纸面向外,P点处导线中的电流方向垂直纸面向里,由安培定则知,两导线在Q点处的磁感应强度方向夹角为120°,如图所示,则Q点处的合磁感应强度B'=B,则电子在Q点所受的洛伦兹力大小为F=evB,根据左手定则知,电子经过Q点时所受的洛伦兹力方向水平向左,A、C正确,B、D错误。C题组三　电子束的磁偏转7.(2025·浙江温州高二期中)阴极射线管及方向坐标如图所示。电子束从阴极射出,经过狭缝掠射到荧光屏上,显示出一条射线径迹,以下情况判断正确的是(　　)A.在阴极射线管中加一个方向向上的电场,射线将向上偏转B.在阴极射线管中加一个方向向前的电场,射线将向上偏转C.在阴极射线管正下方放置一根通有强电流的长直导线,电流方向向右,射线将向上偏转D.在阴极射线管正后方放置一根通有强电流的长直导线,电流方向向右,射线将向上偏转解析　电子带负电,所受静电力与电场方向相反,如果加一个方向向上的电场,则电子受到的静电力方向向下,射线向下偏转;如果加一个方向向前的电场,电子受到的静电力方向向后,射线不偏转,故A、B错误;在阴极射线管正下方放置一根通有强电流的长直导线,电流方向向右,由安培定则可知阴极射线管中是向前的磁场,根据左手定则可知,电子受到的洛伦兹力向上,因此会向上偏转;在阴极射线管正后方放置一根通有强电流的长直导线,电流方向向右,由安培定则可知阴极射线管中是向下的磁场,根据左手定则可知,电子受到的洛伦兹力向前,射线向前偏转,故C正确,D错误。D8.(2025·浙江杭州期末)1932年,美国物理学家安德森在宇宙线实验中发现了正电子。他利用放在强磁场中的云室来记录宇宙线粒子,并在云室中加入一块厚6 mm的铅板,借以减慢粒子的速度。当正电子通过云室内的强匀强磁场时,拍下如图所示的径迹照片,A、B是径迹上的两点,由于所加铝板使正电子通过铝板后的速度减小,正电子在磁场中偏转的半径就会减小,则根据正电子的偏转情况可知(　　)综合提升练A.正电子从B运动到AB.磁场方向垂直纸面向外C.运动过程中洛伦兹力对正电子做负功D.正电子在A点比在B点所受的洛伦兹力大解析　粒子穿过铅板后速度减小,则粒子在磁场中运动半径减小,由图可知正电子从上向下穿过铅板,故A错误;由左手定则可知,磁场的方向垂直纸面向里,故B错误;运动过程中洛伦兹力对正电子不做功,故C错误;由于正电子在A点的速度大于B点的速度,所以正电子在A点比在B点所受的洛伦兹力大,故D正确。