03 第一章 第2节 磁场对运动电荷的作用力-【正禾一本通】2024-2025学年高中物理选择性必修2同步课堂高效讲义教师用书（人教版2019）

第2节　磁场对运动电荷的作用力 课标解读 名词点击 1.通过实验，认识洛伦兹力。 2．能判断洛伦兹力的方向，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 洛伦兹力(Lorentz force) 扫描(scanning) 探究点一　洛伦兹力的方向 利用如图所示的实验装置观察磁场对阴极射线轨迹的影响。 (1)在没加磁场时，接通高压电源可以观察到什么现象？ (2)若在电子束上加如图所示的磁场，可以观察到什么现象？这说明什么？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：(1)电子束沿直线运动。 (2)电子束发生弯曲，说明磁场对电子束有力的作用。 1．洛伦兹力 (1)定义：运动电荷在磁场中受到的力称为洛伦兹力。 (2)本质：通电导线在磁场中受到的安培力，实际是洛伦兹力的宏观表现。 2．洛伦兹力的方向 (1)判断方法——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。 (2)特点：运动的带电粒子在磁场中所受洛伦兹力的方向，与运动方向和磁感应强度的方向都垂直。 【基点辨析】 1．判断下列说法的正误 (1)若电荷的速度方向与磁场平行，则电荷不受洛伦兹力。(√) (2)洛伦兹力同电场力一样，可对运动粒子做正功或负功。(×) (3)运动粒子在某处不受洛伦兹力的作用，则该处的磁感应强度一定为零。(×) 2．如图所示，在阴极射线管正上方平行放一通有强电流的长直导线，则阴极射线(电子流)如何偏转？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：根据右手螺旋定则可知，阴极射线管处的磁场方向垂直纸面向外，阴极射线(电子流)从负极流向正极，再根据左手定则可知，电子所受洛伦兹力方向向上，所以阴极射线向上偏转。 1．决定洛伦兹力方向的三个因素 洛伦兹力的方向由粒子的电性(正、负)、速度方向、磁感应强度的方向决定。 当电性一定时，其他两个因素决定洛伦兹力的方向，如果只让一个因素相反，则洛伦兹力方向必定相反；如果同时让两个因素相反，则洛伦兹力方向将不变。 2．洛伦兹力F、磁感应强度B和粒子的速度v的方向关系 如图所示，F⊥B，F⊥v，即F垂直于B和v所决定的平面，但B与v不一定垂直。 3．洛伦兹力的特点 洛伦兹力的方向随粒子运动方向的变化而变化，但无论怎样变化，洛伦兹力都与运动方向垂直，故洛伦兹力永不做功，它只改变粒子的速度方向，不改变粒子的速度大小。 【典例1】 (多选)下列图中关于各带电粒子所受洛伦兹力的方向或带电粒子电性的判断正确的是(　　) 解析：选CD。A图中，粒子带负电，根据左手定则，洛伦兹力方向竖直向上，故A错误；B图中，粒子带负电，根据左手定则，洛伦兹力方向垂直纸面向里，故B错误；C图中，根据左手定则，粒子带正电，故C正确；D图中，粒子带负电，根据左手定则，洛伦兹力方向垂直纸面向外，故D正确。 [误区警示] (1)判断洛伦兹力的方向时，一定要分清运动粒子的正负。 (2)用左手定则判定负粒子所受的洛伦兹力时，应将四指指向负粒子运动的反方向。 【针对训练1】 平面a和平面b相互垂直，平面b中直线PQ和MN垂直。电荷量为＋q的粒子位于两直线交点，在平面a内以速度v运动，如图甲所示，磁场方向垂直于平面b。该粒子此时所受洛伦兹力方向正确的是(　　 ) A．由P指向Q，如图乙中F1所示 B．由N指向M，如图乙中F2所示 C．由Q指向P，如图乙中F3所示 D．位于平面a，垂直于速度v，如图乙中F4所示 解析：选C。由左手定则可以判断粒子所受洛伦兹力方向为F3方向，A、B、D错误，C正确。 探究点二　洛伦兹力的大小 如图所示，将条形磁铁放置在阴极射线管旁边，管内电子束会出现偏转。若将条形磁铁靠得更近一些，可以看到电子束的偏转程度更大，这能说明什么？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：磁感应强度越大，电子束偏转越厉害。 1．洛伦兹力公式的推导 如图所示，匀强磁场的磁感应强度为B。设磁场中有一段长度为L的通电导线，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均为q且定向运动的速率都是v。则导线中的电流是I＝nqSv，导线在磁场中所受的安培力F安＝IlB＝nqSvlB，导线中自由电荷数N＝nSl，则每个自由电荷受到的洛伦兹力F洛＝＝qvB。 2．洛伦兹力的大小 (1)当v⊥B时，F＝qvB，即带电粒子的运动方向与磁场方向垂直时，洛伦兹力最大。 (2)当v∥B时，F＝0，即带电粒子的运动方向与磁场方向平行时，不受洛伦兹力。 (3)当v与B成θ角时，F＝qvB_sin_θ。 【基点辨析】 1．判断下列说法的正误 (1)洛伦兹力会使粒子的速度变大。(×) (2)洛伦兹力可以对运动电荷做正功，也可以做负功。(×) (3)通电导体受到的安培力是导体内定向移动的电荷所受洛伦兹力的矢量和。(√) 2．如图所示，带负电的粒子以速度v垂直匀强磁场的方向射入磁场。此后粒子向哪个方向偏转？在粒子的运动过程中，所受洛伦兹力的大小怎样变化？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：左上方。洛伦兹力不做功，粒子的速度大小不变，所以洛伦兹力大小不变。 1．洛伦兹力与安培力的比较 比较项目 洛伦兹力 安培力 对象 运动电荷 通电导体 公式 F＝qvB sin θ F安＝IlB sin θ 联系 方向 均可用左手定则判断 本质 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.洛伦兹力和静电力的比较 项目 洛伦兹力 静电力 作用对象 仅在运动电荷的速度方向与B不平行时，运动电荷才受到洛伦兹力 带电粒子只要处在电场中，一定受到静电力 大小及方向 F＝qvB sin θ，方向与B、v垂直，用左手定则判断 F＝qE，F与E同向或反向 特点 洛伦兹力永不做功 静电力可做正功、负功或不做功 【典例2】 如图所示，质量m＝1.0×10-4 kg的小物块，带有5×10-4 C的电荷，放在倾角为30°的光滑绝缘斜面上，整个斜面置于B＝0.5 T的匀强磁场中，磁场方向垂直纸面向里，物块由静止开始下滑，滑到某一位置时开始离开斜面，g＝10 m/s2。 (1)物块带什么电？ (2)物块离开斜面时速度多大？ (3)斜面至少有多长？ 【针对训练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 解析：选C。带电粒子的速度方向与磁感线方向垂直时，洛伦兹力F＝qvB与电荷量成正比，与质量无关，C正确。 探究点三　电子束的磁偏转 如图为显像管原理示意图(俯视图)。从图中可以看出，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。 (1)如果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)如果要使电子束打在水平方向上的B点，偏转磁场应该沿什么方向？ (3)如果要使电子束在荧光屏上的位置由B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)先垂直纸面向里并逐渐减小至零，后垂直纸面向外并逐渐增大。 电视机显像管的原理 (1)构造：主要由电子枪、偏转线圈和荧光屏三部分组成。 (2)原理：电子显像管应用了电子束磁偏转的原理。 (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。电子束从最上一行到最下一行扫描一遍叫作一场，电视机中的显像管每秒要进行50场扫描。 【基点辨析】 1．判断下列说法的正误 (1)在显像管中，电子束因受洛伦兹力的作用，径迹发生偏转。(√) (2)显像管中偏转线圈中的电流恒定不变时，电子打在荧光屏上的光点位置也是不变的。(√) (3)显像管中水平方向的偏转磁场可以控制电子束沿水平方向左右移动。(×) 2．如图所示，电子枪射出的电子束进入示波管，在示波管正下方有竖直放置的通电环形导线，则示波管中的电子束将如何偏转？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 提示：由安培定则可知，环形电流产生的磁场在环形电流外侧的磁感线方向垂直纸面向里，电子束由左向右运动，由左手定则可知，电子受到的洛伦兹力方向向下，则电子束向下偏转。 【典例3】 (2024·江苏镇江期中)如图所示，在探究洛伦兹力方向的实验中，阴极射线管电子枪发出的电子打在荧光屏正中央形成一个亮斑。通过匀强磁场改变荧光屏上亮斑的位置，来判断洛伦兹力的方向，从荧光屏的正前方观察，下列磁场方向和对应亮斑的位置正确的是(　　) 解析：选A。从荧光屏的正前方观察，根据左手定则，四指应指向垂直于纸面向里的方向，易知只有A正确。 [名师提醒] 错因剖析 对照反思 (1)没考虑电子的电性，将电子按正电荷进行了判断； (2)使用左手定则时不能按照方向要求正确放置手的位置； (3)空间想象能力不够，不能将立体图与平面图有效转化 【针对训练3】 在电视机的显像管中，电子束的扫描是用磁偏转技术实现的，其扫描原理如图所示。圆形区域内的偏转磁场的方向垂直于圆面，不加磁场时，电子束将通过O点打在屏幕的中心M点。为了使屏幕上出现一条以M为中心的亮线PQ，偏转磁场的磁感应强度B随时间变化的规律应是下列选项中的(　　) 解析：选B。由题意知，要想得到以M为中心的亮线PQ，则电子束既要向P偏转，又要向Q偏转，所以磁场的磁感应强度B随时间t变化时，应有方向改变，C、D错误；A项中磁感应强度大小一定，则电子束受到的洛伦兹力大小相同，偏转量也相同，向同一方向偏转的电子都打到同一点，不能得到连续的亮线，A错误；B项中在磁感应强度随时间变化的规律下，可得到亮线PQ，B正确。 　　　　正电子的发现 安德森利用放在强磁场中的云室记录宇宙线粒子，并在云室中加入一块厚6 mm的铅板，借以减慢粒子的速度，然后根据粒子径迹的偏转情况，判定粒子的性质。他发现某粒子的径迹与电子的径迹十分相似，只是偏转方向相反。由此，安德森发现了正电子。 学科网（北京）股份有限公司 $$