8.5磁场对运动电荷的作用 课件 -2023-2024学年高二上学期（中职）物理湖南科技版电工电子类

08 磁场及其应用 导入 神奇梦幻的极光 在地球的南北极附近上空，时常出现神奇美丽的极光，将夜 晚装扮得非常梦幻。它们呈带状、弧状、幕状、放射状等，神秘莫测，绚丽多彩。 自古，人们对极光就有许多的猜想，在不懈的探索中逐渐认识到，这是太阳辐射到地球的带电高能粒子与地球磁场、地球大气等的共同杰作。极光不只在地球上出现，太阳系内的其他一些具有磁场的行星上也会出现极光。 那么，极光与地磁场究竟有怎样的关联呢？本章我们学习与磁场有关的知识。 电视机等设备所用的显像管，有些是通过磁场控制电子束的运动来呈现图像的。那么磁场是如何对运动电荷施加作用的呢？运动电荷在磁场中的受力和运动都有什么规律？本节我们学习洛伦兹力及其应用。 第五节 磁场对运动电荷的作用 大家知道，电荷的定向移动就形成电流。通电直导线在磁场中受到安培力的作用，这说明磁场对运动电荷会产生力的作用。安培力实际上是磁场对通电直导线内定向运动电荷作用的宏观表现。下面我们通过实验来探究磁场对运动电荷的作用。 一、洛伦兹力 第五节 磁场对运动电荷的作用 探究磁场对运动电荷的作用 实验装置如图 8-23 所示。将阴极射线管的阴极和阳极连接直流高压电源，在阴极与阳极之间就会形成很强的电场，阴极发射的电子经电场加速，再经狭缝后形成高速电子束（阴极射线），在荧光屏上显示出电子运动的轨迹为一条直线。 把条形磁体逐渐靠近阴极射线管，观察荧光屏上显示出的电子径迹发生了怎样的变化。调转条形磁体的磁极，再观察电子的径迹又发生了怎 样的变化。 由观察到的现象可得出什么结论？ 一、洛伦兹力 第五节 磁场对运动电荷的作用 做中学 从实验可知，电子在磁场中运动时，受到了力的作用。物理学中，把磁场对运动电荷的作用力称为洛伦兹力。研究表明，电荷的速度方向与磁场方向平行时，所受到的洛伦兹力为零。在磁感应强度为 的匀强磁场中，电荷量为 的电荷以速度 垂直于磁场方向运动时，所受到的洛伦兹力 一、洛伦兹力 第五节 磁场对运动电荷的作用 式中，电荷量 的单位为库仑（），速度 的单位为米 / 秒 （），磁感应强度 的单位为特斯拉（），洛伦兹力 的 单位为牛顿（）。 洛伦兹力的方向也可用判定安培力方向的左手定则来判定：伸出左手，拇指与其余四指垂直，且都与手掌处于同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，四指指向正电荷运动的方向，那么拇指所指的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向（图 8-24）。负电荷所受力的方向与正电荷所受力的方向相反。 一、洛伦兹力 第五节 磁场对运动电荷的作用 由左手定则可知，垂直射入匀强磁场中的运动电荷受到的洛伦兹力不仅与磁感应强度方向垂直，而且总与速度方向垂直。因此，洛伦兹力不对运动电荷做功，它不改变运动电荷的速率，只改变运动电荷的运动方向。 由此可推测，运动电荷垂直射入磁场后，在磁场中做匀速圆周运动。这一推测是否正确呢？下面我们通过实验进行探究。 二、带电粒子在匀强磁场中的运动 第五节 磁场对运动电荷的作用 观察运动电荷在磁场中的轨迹 实验通过洛伦兹力演示仪［图 8-25（a）］进行。电子枪发射出阴极射线，能使玻璃泡内的低压惰性气体沿途发出辉光，这样便可显示出电子在玻璃泡内运动的轨迹。没有磁场作用时，观察电子的运动轨迹；再用通电线圈外加一磁场，让电子束垂直射入磁场，此时观察到的电子运动轨迹如图 8-25（b）所示。思考：此时电子受到怎样的外力作用？ 第五节 磁场对运动电荷的作用 做中学 二、带电粒子在匀强磁场中的运动 二、带电粒子在匀强磁场中的运动 第五节 磁场对运动电荷的作用 由上述的实验探究可知，运动电荷垂直射入匀强磁场后，受洛伦兹力作用而做匀速圆周运动。 如图 8-26 所示，假设有一质量为 、电荷量为 的带电 粒子，以速率 垂直射入磁感应强度为 的匀强磁场中，粒 子所受重力与洛伦兹力相比可以忽略不计，因此，粒子仅在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，设圆周运动的半径为 ，有 二、带电粒子在匀强磁场中的运动 第五节 磁场对运动电荷的作用 由此可得带电粒子做圆周运动的轨道半径 带电粒子做圆周运动的周期 可见，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时，轨道半径与粒子的运动速率、粒子的质量成正比，与电荷量、磁感应强度大小成反比；带电粒子的运动周期与粒子的质量成正比，与电荷量、磁感应强度大小成反比，与轨道半径和运动速率无关。 洛伦兹力在生产生活和科研领域都有着广泛的应用。下面我们以显像管、质谱仪和回旋加速器为例，了解洛伦兹力的应用。 三、洛伦兹力的应用 第五节 磁场对运动电荷的作用 显像管 显像管广泛应用于电视机、