1.2磁场对运动电荷的力 课件-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

nullnullnullnullnull 第一章 安培力与洛伦兹力 第2节 磁场对运动电荷的作用力 02 03 01 主题(二) 磁偏转 主题(一) 洛伦兹力 目录 CONTENTS 主题(三) 电磁偏转 04 第2节 磁场对运动电荷的作用力 主题(四) 霍尔元件 磁场为什么对通电导线有安培力的作用呢？ 猜想是否成立？设计实验 , 让事实说话 由此猜测：磁场对运动电荷可能有力的作用。 是因为通电导线里有定向移动的电流。 新课引入： 新课引入： 　　荷兰物理学家，他是电子论的创始人、相对论中洛伦兹变换的建立者，并因在原子物理中的重要贡献(塞曼效应)获得第二届(1902年)诺贝尔物理学奖。被爱因斯坦称为“我们时代最伟大，最高尚的人”。 荷兰物理学家 洛伦兹 (Lorentz， 1853—1928) 洛伦兹首先研究这个问题，因此把这种力叫洛伦兹力 新课引入： 第一部分 洛伦兹力 一、洛伦兹力 1.定义： 磁场对运动电荷的力 2.方向： 建龙右手定则 注意： 正电荷V穿手心, 拇指即为f洛的方向 四指指向B方向， （负电荷V穿手背） v f洛 B f洛 B + - v f洛=0 v + B - v 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 洛伦兹力大小怎么算呢？ 一、洛伦兹力 思考:设有一段长度为L，横截面积为S的导线，导线单位体积内含有的自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量为q，定向移动速率为V．这段通电导线垂直磁场方向放入磁感应强度为B的磁场中， V V V V V V F安 f F安= ILB =(nqvs)LB f洛= F安/N N= nsL f洛= qvB 先判断安培力的方向 f f f f f 一、洛伦兹力 B v + θ B f洛= qvB (B⊥V) 思考：若B与V成任意夹角怎么办？ 3.大小： 一、洛伦兹力 1.定义： 磁场对运动电荷的力 2.方向： 建龙右手定则 V// V⊥ f洛= qv⊥B =qvBsinθ (B与V成θ) 【典例1】试判断下图中的带电粒子刚进入磁场时所受洛伦兹力的方向和大小 v v f洛 B 垂直于纸面向外 垂直于纸面向里 甲 乙 丙 丁 B B B v v 以相同V进入同一位置的等电量正、负电荷受到的f洛大小相等、方向相反。 典例分析：洛伦兹力 θ θ =qvB f洛 =qvB f洛= qvBcosθ f洛= qvBcosθ f洛= qvB (B⊥V) 思考：若B与V成任意夹角怎么办？ 3.大小： 一、洛伦兹力 1.定义： 磁场对运动电荷的力 2.方向： 建龙右手定则 f洛= qv⊥B =qvBsinθ (B与V成θ) 注意: ①f洛⊥B, f洛⊥v， 则f洛⊥B和v组成的平面 B v + F v B + F θ f洛= qvB (B⊥V) 磁场对运动电荷的方向转变就叫做磁偏转 3.大小： 一、洛伦兹力 1.定义： 磁场对运动电荷的力 2.方向： 建龙右手定则 f洛= qv⊥B =qvBsinθ (B与V成θ) 注意: ①f洛⊥B, f洛⊥v， 则f洛⊥B和v组成的平面 v F B F v ②f洛方向随电荷运动方向的变化而变化，且永远不做功 第二部分 磁偏转 1.定义: 二、磁偏转 磁场对运动电荷的偏转: v qvB B E v qE 注意：磁偏转只改变电荷的运动方向 ,不改变速度大小。 电偏转改变电荷的运动方向和大小。 2.应用: 1.定义: 二、磁偏转 磁场对运动电荷的偏转: 注意：磁偏转只改变电荷的运动方向 ,不改变速度大小。 电偏转改变电荷的运动方向和大小。 2.应用: 电视机 二、磁偏转 2.应用: 电视机 O B 绕有绝缘的通电导线的铁环，电流方向如图所示.若电子束以垂直于纸面向里的速度从O点射入.则电子如何偏转? 向右偏转 B 向右偏转 二、磁偏转 2.应用: 电视机 绕有绝缘的通电导线的铁环，电流方向如图所示.若电子束以垂直于纸面向里的速度从O点射入.则电子如何偏转? 向下偏转 向上偏转 向左偏转 B 向右偏转 二、磁偏转 2.应用: 电视机 向下偏转 向上偏转 向左偏转 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，因此电子束打在荧光屏上的光点就像如图所示那样不断移动，这在电视技术中叫做扫描（scanning）。 电子束在荧光屏上扫描一行之后，迅速返回（虚线），再做下一行扫描，直到荧光屏的下端,叫做一场，电视机中每秒要进行50场扫描，由于人的“视觉暂留”，我们感到整个荧光屏都在发光． 二、磁偏转 2.应用: 电视机 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，因此电子束打在荧光屏上的光点就像如图所示那样不断移动，这在电视技术中叫做扫描（scanning）。 电子束在荧光屏上扫描一行之后，迅速返回（虚线），再做下一行扫描，直到荧光屏的下端,叫做一场，电视机中每秒要进行50场扫描，由于人的“视觉暂留”，我们感到整个荧光屏都在发光． 现代液晶电视，不再采用磁场偏转电子的方式成像，它使用电压逐行控制每个液晶单元从而发光，其技术类似扫描 第三部分 电磁偏转 三、电磁偏转 - + + v qE qVB 若qE=qVB, 粒子将以V做匀速直线 ①若V= B E ②若V> B E 向f洛方向偏 + v qE qVB ③若V< B E 向qE方向偏 粒子将以V做匀速直线 1.速度选择器: 注意:①速度选择器的粒子不能考虑重力。 ②不仅选择速度的大小，也选择方向。 + v qE qVB ③不选择q的电性和电量。 【典例2】在两平行金属板间，有如图8所示的互相正交的匀强电场和匀强磁场。α粒子以速度v0从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向射入时，恰好能沿直线匀速通过。供下列各小题选择的答案有： A.不偏转 B.向上偏转 C.向下偏转 D.向纸内或纸外偏 (1)若质子以速度v0从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向射入时，质子将________。 (2)若电子以速度v0从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向射入时，电子将________。 (3)若质子以大于v0的速度，沿垂直于电场方向和磁场方向从两板正中央射入时，质子将________。 (4)若增大匀强磁场的磁感应强度，其他条件不变，电子以速度v0沿垂直于电场和磁场的方向，从两板正中央射入时，电子将________。 A　 A　 B C 典例分析：速度选择器 等离子束 B 设等离子束的运动速度为v，单个带电荷量为q，磁场的磁感应强度为B，极板间距离为d。 当qvB＝qE 得:U＝Bdv （U为电动势） B v v v v U U会不断增大吗？ qE qVB 电源内阻r= 三、电磁偏转 1.速度选择器: 2.磁流体发电机: d U 即qvB＝q S d S d 三、电磁偏转 【典例3】(多选)目前世界上有一种新型发电机叫磁流体发电机，如图表示它的原理：将一束等离子体(包含正、负离子)喷射入磁场，在磁场中有两块金属板A、B，于是金属板上就会聚集电荷，产生电压。以下说法正确的是( 　　) A.B板带正电 B.A板带正电 C.其他条件不变，只增大射入速度，UAB增大 D.其他条件不变，只增大磁感应强度，UAB增大 ACD 典例分析：磁流体发电机 等离子束 B d 工业废水 + + + + V 3.磁流量计: 流量Q＝ U＝BDv 含有有大量的正负离子 三、电磁偏转 1.速度选择器: 2.磁流体发电机: 当qvB＝qE 得:U＝Bdv 电源内阻r= d U ＝q S d 思考:如何测量单位时间内流过的工业废水的体积从而检测排污？ = Q= Sv 【典例4】（多选）为监测某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计，该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c，左右两端开口，在垂直于前后两侧面方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场，在上下两内表面分别固定有金属板M、N作为电极，污水充满管口从左向右流经该装置时，接在M、N两端间的电压表将显示两个电极间的电压U，若用Q表示污水流量（单位时间内排出的污水体积），下列说法中正确的是（ 　　） A．若污水中负离子较多，则M板比N板电势高 B．若污水中正离子较多，则N板比M板电势高 C．污水中离子浓度越高电压表的示数将越大 D．电压U与污水流量Q成正比，与a、c无关 AD 典例分析：磁流量计 第四部分 霍尔元件 B I h L d + + + + - - - - V + v B I h L d B I h L d + + + + - - - - - v + + + + - - - - V 当qvB＝qE 得:U＝Bdv 1.概念:放于磁场中的通电导体 I＝nqvs V + v + v 四、霍尔元件 2.原理: d U ＝q U＝ nqh IB 注意: φ的高低跟载流子有关， 思考：若载流子里既有正离子也有负离子，哪个面的电势高？ 若载流子为正负离子,U=0 当qvB＝qE 得:U＝Bdv 1.概念:放于磁场中的通电导体 I＝nqvs 四、霍尔元件 2.原理: d U ＝q U＝ nqh IB 注意: φ的高低跟载流子有关， 若载流子为正负离子,U=0 3.霍尔电压: UH＝ nqh IB nq 1 h IB ＝ · B I h L d + + + + - - - - V + v 当qvB＝qE 1.概念:放于磁场中的通电导体 四、霍尔元件 2.原理: 3.霍尔电压: UH＝ nq 1 h IB · B I h L d + + + + - - - - V + v I h L d - v - - - - V + + + + B UH＝? Bhv nqs I =Bh nqdh I =Bh nqd IB = 注意:①UH跟B方向上的距离成反比，跟BI成正比 当qvB＝qE 1.概念:放于磁场中的通电导体 四、霍尔元件 2.原理: 3.霍尔电压: UH＝ nq 1 h IB · I h L d - v - - - - V + + + + B h IB =K UH＝? Bhv nqs I =Bh nqdh I =Bh nqd IB = 注意:①UH跟B方向上的距离成反比，跟BI成正比 由材料决定 nq 1 ② 称霍尔系数k, 半导体n更小，霍尔电压更大，效果更好 四、霍尔元件 课堂练习 【典例5】（多选）笔记本电脑机身和显示屏分别安装有磁体和霍尔元件。当显示屏闭合时，霍尔元件靠近磁体，屏幕熄灭，电脑休眠。其工作原理示意图如图所示，闭合显示屏时，长为a、宽为c、厚度为d的霍尔元件处在磁感应强度大小为B、方向垂直于元件上表面向下的匀强磁场中，元件内自由电子（电荷量为e）以一定的速度由左向右匀速移动时，元件的前后表面间出现电压U，笔记本控制系统检测到该电压，立即熄灭屏幕。下列有关说法正确的是（　 　） A．前表面的电势比后表面的高 B．前表面和后表面间的电场强度大小为U/d C．前后表面间的电压U与a无关 D．自由电子的速度大小为U/cB CD 《思维导图·电势能和电势》 课堂小结 磁场 对运动电荷的力 磁偏转 洛伦兹力 电磁偏转 霍尔元件 f洛=qvB f洛=qvBsinθ v + θ B V// V⊥ 方向：★建龙右手定则 v qvB B E v qE 磁偏转只改变电荷的运动方向 ,不改变速度大小。 电偏转改变电荷运动方向和大小。 3.磁流量计: 1.速度选择器: 2.磁流体发电机: U＝Bdv B I h L d + + + + - - - - V + v UH＝ nq 1 h IB · h IB =K 【练习1】关于安培力和洛伦兹力，下面说法正确的是（   ） A．洛伦兹力和安培力是性质完全不同的两种力 B．安培力和洛伦兹力，其本质都是磁场对运动电荷的作用力 C．安培力和洛伦兹力，二者是等价的 D．安培力对通电导体能做功，洛伦兹力对运动电荷也可以做功 B 课堂练习 【练习2】（多选）在下列匀强磁场B中，带电粒子受到的洛伦兹力为F，则F的方向正确的有（　　） 课堂练习 A B C D AC 【练习3】（多选）如图所示，导线中带电粒子的定向运动形成了电流。电荷定向运动时所受洛伦兹力的矢量和，在宏观上表现为导线所受的安培力。下面的分析正确的是（     ） A．洛伦兹力和安培力是性质相同的两种力 B．洛伦兹力的方向、粒子运动方向和磁场方向不一定相互垂直 C．粒子在只受到洛伦兹力作用时动能会减少 D．带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时， 其运动半径与带电粒子的比荷无关 AB 课堂练习 课堂练习 【练习4】自行车速度计利用霍尔效应传感器获知自行车的运动速率。如图甲所示，自行车前轮上安装一块磁铁，轮子每转一圈，这块磁铁就靠近传感器一次，传感器会输出一个脉冲电压。图乙为霍尔元件的工作原理图。当磁场靠近霍尔元件时，导体内定向运动的自由电荷在磁场力作用下偏转，最终使导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差，即为霍尔电势差。下列说法正确的是（　　） A．根据单位时间内的脉冲数和自行车车轮的 半径即可获知车速大小 B．图乙中霍尔元件的电流I是由正电荷定向运 动形成的 C．自行车的车速越大，霍尔电势差越高 D．如果长时间不更换传感器的电源，霍尔电势差不变 A 课堂练习 【练习5】如图所示，在磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里的匀强磁场中，一带电量为q（q>0）的滑块自a点由静止沿光滑绝缘轨道滑下，下降竖直高度为h时到达b点。不计空气阻力，重力加速度为g，则（     ） A．滑块在a点受重力、支持力和洛伦兹力作用 B．该过程中，洛伦兹力做正功 C．该过程中，滑块的机械能增大 D．滑块在b点受到的洛伦兹力大小为qB D 课堂练习 【练习6】如图所示，在一通有恒定电流的长直导线的右侧，有一带负电的粒子以初速度v0，沿平行于导线的方向射出。粒子重力及空气阻力均忽略不计，现用虚线表示粒子的运动轨迹，则下列选项中可能正确的是（　　） A B C D D 【练习7】如图所示是磁流体发电机的装置，a、b组成一对长为L、宽为h的平行电极，两板间距为d，内有磁感应强度为B的匀强磁场。发电通道内有电阻率为的高温等离子持续垂直喷入磁场，每个离子的速度为v，负载电阻的阻值为R，电离气体沿导管高速向右流动，运动的电离气体受到磁场作用，产生了电动势，电离气体以不变的流速v通过发电通道。电容器的电容为C，不计电离气体所受的摩擦阻力。根据提供的信息完成下列问题。 （1）判断a、b板的电势高低，求发电机的电动势E； （2）开关闭合，当发电机稳定发电时，求a、b两端的电势差Uab； （3）开关断开，电容器所带的电荷量q。 课堂练习 课堂练习 【解析】（1）据左手定则可知，电离气体中的正离子向b极板偏转，负离子向a极板偏转，故b极板电势高，a板电势低，稳定后满足得 （2）稳定后，据闭合电路欧姆定律可得 据电阻定律可得联立解得 （3）开关断开，电容器两端的电压等于电动势，故电容器所带的电荷量为 课堂练习 【练习8】（2024·江西·高考真题）石墨烯是一种由碳原子组成的单层二维蜂窝状晶格结构新材料，具有丰富的电学性能．现设计一电路测量某二维石墨烯样品的载流子（电子）浓度。如图（a）所示，在长为a，宽为b的石墨烯表面加一垂直向里的匀强磁场，磁感应强度为B，电极1、3间通以恒定电流I，电极2、4间将产生电压U。当I=1.00×10-3A时，测得U-B关系图线如图（b）所示，元电荷e=1.6×10-19C，则此样品每平方米载流子数最接近（    ） A．1.7×1019 B．1.7×1015 C．2.3×1020 D．2.3×1016 D 课堂练习 【练习9】（2024·浙江·高考真题）（多选）如图所示，一根固定的足够长的光滑绝缘细杆与水平面成θ角。质量为m、电荷量为+q的带电小球套在细杆上。小球始终处于磁感应强度大小为B的匀强磁场中。磁场方向垂直细杆所在的竖直面，不计空气阻力。小球以初速度v0 , 沿细杆向上运动至最高点，则该过程（　　） A．合力冲量大小为mv0cosƟ B．重力冲量大小为mv0sinƟ C．洛伦兹力冲量大小为 D．若v0=，弹力冲量为零 CD 谢 谢 观 看 $$