1.2磁场对运动电荷的作用力 2024-2025学年高中物理备课高效互动课件（人教2019选择性必修第二册）

null第一章 安培力与洛伦兹力 1.2 磁场对运动电荷的作用力 导入： 我们知道，磁场对通电导线有作用力；我们还知道，带电粒子的定向移动形成了电流。那么，磁场对运动电荷有作用力吗？如果有，力的方向和大小又是怎样的呢？ 极光是来自太阳的带电粒子到达地球附近，地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线集中到南北两极，当它们进入极地大于80千米的高层大气时，与大气中的原子和分子碰撞并激发，从而释放能量，同时产生光芒，形成围绕磁场的大圆圈。 一、洛伦兹力的方向 1、洛伦兹力：运动电荷在磁场中受到的力。 2、洛伦兹力与安培力的关系：通电导线在磁场中受到的安培力是洛伦兹力的宏观表现。 I FA v F洛 F洛 F洛 F洛 F洛 F洛 宏观 微观 3、洛伦兹力的方向：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，并使四指指向正电荷的运动方向，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。（负电荷受力方向与正电荷受力方向相反）  f洛⊥B，f洛⊥v，f洛⊥Bv平面  因为f洛⊥v，f洛永远不做功，只起到改变速度方向的作用 思考： 由于安培力和洛伦兹力是宏观与微观的关系，我们是否可以由安培力的表达式推导出洛伦兹力的表达式？ （1）通电导线中的电流 （2）通电导线所受的安培力 （3）这段导线内的自由电荷数 （4）每个电荷所受的洛伦兹力 二 洛伦兹力的大小 1、 v⊥B时，F=qvB B V B⊥ B∥ 2、v 与B 夹角为θ，F=qvBsinθ 3、 v∥B，F=0 4、安培力与洛伦兹力的联系与区别 (1)联系：安培力是洛伦兹力的宏观表现，洛伦兹力是安培力的微观本质。 (2)区别：安培力可以对通电导体做功，洛伦兹力对带电粒子恒不做功。 例1、如图所示，各图中的匀强磁场的磁感应强度均为B，带电粒子的速率均为v，带电荷量均为q。试求出各图中带电粒子所受洛伦兹力的大小F，并指出洛伦兹力的方向。 （1）因v与B垂直，所以F=qvB，方向垂直v 指向左上方。 （2）v与B的夹角为30°，所以F=qvBsin 30°=qvB，方向垂直纸面向里。 （3）由于v与B平行，所以带电粒子不受洛伦兹力。 （4）v与B垂直，F=qvB，方向垂直v指向左上方。 三、电子束的磁偏转 2、显像管的原理 (1)电子枪发射高速电子。 (2)电子束在磁场中偏转。 (3)荧光屏被电子束撞击时发光。 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从上向下、从左向右不断移动。 1、显像管的构造：由电子枪、偏转线圈和荧光屏组成。 四、洛伦兹力的应用 1、速度选择器：功能是可以选择某种速度的带电粒子。 如图，两极板间存在匀强电场和匀强磁场，二者方向互相垂直，带电粒子从左侧射入，不计粒子重力。 qvB Eq v － ＋ × × × × × × × × × × × × × × × B E （1）带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是 qE=qvB，即v=。 qvB Eq v － ＋ × × × × × × × × × × × × × × × B E (2)当v>时，粒子向洛伦兹力方向偏转，F电做负功，粒子的动能减小，电势能增大。 (3)当v<时，粒子向电场力方向偏转，F电做正功，粒子的动能增大，电势能减小。 思考一：某粒子在速度选择器中匀速运动，若只改变其电性或电荷量，粒子能否匀速通过？ 思考二：让带电粒子从另一端射入，粒子能否匀速通过？ 2、磁流体发电机 （1）应用：相当于发电机 （2）结构：如图所示 （3）原理 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，含有大量的正、负离子）喷入磁场，A、B之间就产生电压。如果把A、B和用电器相连，A、B就是一个直流电源的两极 × × × × × × × × × × × × × × × A、B间电动势是多少？ 已知板间距离为d，磁感应强度为B，等离子体的速度v垂直射入磁场 A、B哪个是正极？ A是正极 电离的气体 3.电磁流量计 （1）应用 （2）原理 测量高粘度及强腐蚀性流体的流量，它具有测量范围宽、反应快、易与其他自动控制装置配套等优点。 在非磁性材料做成的圆外加一匀强磁场，当管中的导电液流经此磁场区域时，测出管壁上a、c两点间的电压U，就可以知道管道中液体的流量Q-单位时间内流过液体的体积 （3）流量计算 当电场力与洛伦兹力平衡时 a b × × × × × × × × × × × × × × × B × × × × × × × × × × × × × × × v D 1、如图所示，美国物理学家安德森在研究宇宙射线时，在云雾室里观察到有一个粒子的径迹和电子的径迹弯曲程度相同，但弯曲方向相反，从而发现了正电子，获得了诺贝尔物理学奖.云雾室中磁场方向可能是（ ） A.垂直纸面向外 B.垂直纸面向里 C.沿纸面向上 D.沿纸面向下 B 课堂练习 2、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之比为（ ） A.2∶1 B.1∶1 C.1∶2 D.1∶4 课堂练习 C 3、如图所示，在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一长为l的绝缘细线，一端固定于O点，另一端连一质量为m、带电荷量为+q的小球，将小球与细线拉至右侧与磁感线垂直的水平位置，由静止释放，重力加速度为g，则小球第一次通过最低位置时细线上的拉力大小为（ ） A.3mg+Bq B.3mg+Bq C.3mg-Bq D.3mg-Bq B 分析：设小球第一次通过最低位置时速度大小为v，小球从右向左通过最低位置，由左手定则可知，在最低位置时小球所受洛伦兹力F 方向竖直向下，在最低位置，小球受到重力mg、洛伦兹力F 和细线的拉力FT，根据牛顿第二定律有FT-F-mg=m。 小球从释放点运动至最低位置过程中，细线的拉力、洛伦兹力均不做功，根据动能定理有mgl=mv2，又洛伦兹力F=qvB，解得FT=3mg+ Bq，选项B正确。 4、如图所示，厚度为h、宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上面A和下面A'之间会产生电势差U，这种现象称为霍尔效应。 霍尔效应可解释如下：外部磁场对运动电子的洛伦兹力使电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成电场。电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力。当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两面之间就会形成稳定的电势差。电流是自由电子的定向移动形成的，电子的平均定向移动速率为v，电荷量为e。回答下列问题： (1)达到稳定状态时，导体板上面A的电势　　　(选填“高于”“低于”或“等于”)下面A' 的电势。  (2)电子所受洛伦兹力的大小为　　　　。  (3)当导体板上、下两面之间的电势差为UH时，电子所受静电力的大小为　　　　　　　。  (4)上、下两面产生的稳定的电势差U=　　　　。  A的电势低于A'的电势。 F洛=evB。 F电=Ee=e。 当A、A'间电势差稳定时，洛伦兹力与静电力达到平衡，evB=e，故U=Bhv。 Lavf58.12.100 Lavf58.20.100 $$nullnullnullnullnullnull