1.3 洛伦兹力（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册（粤教版2019）

第三节　洛伦兹力 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 栏目索引 教材知识 梳理 随堂达标 训练 知识方法 探究 教材知识 梳理 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 磁感线 正电荷的运动方向 洛伦兹力 相反 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 qvB 0 qvB sinθ 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 知识方法 探究 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 随堂达标 训练 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 返回导航 物理 选择性必修 第二册 Y 第一章　磁场 谢谢观看！ 课程内容要求 核心素养提炼 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． 1．物理观念：结合演示实验，观察阴极射线在磁场中的偏转，认识洛伦兹力． 2．科学思维：通过实验，运用控制变量法，理解并掌握左手定则． 3．科学探究：通过实验探究影响洛伦兹力方向和其大小的因素． 4．科学态度与责任：演示实验能够让学生确信洛伦兹力的存在，激发其好奇心和求知欲，并由此树立从事科学研究的人生志向． [对应学生用书P11] eq \a\vs4\al(一、认识洛伦兹力) 1．洛伦兹力：磁场对运动电荷产生的作用力称为洛伦兹力(Lorentz force). 2．实验探究：磁场对运动电荷是否有力的作用 探究过程 实验现象 没有外加磁场 阴极射线管中电子束的运动轨迹是直线 将蹄形磁铁放在阴极射线管外面 电子束运动轨迹发生弯曲 将磁铁的N极和S极交换位置 电子束运动轨迹向反方向偏转 将两个蹄形磁铁并在一起 电子束的偏转角度增大 eq \a\vs4\al(二、洛伦兹力的方向) 1．洛伦兹力内涵：运动电荷在磁场中受到的力． 2．方向的判断——左手定则 左手定则：伸开左手，使大拇指与其余四指垂直，并且都与手掌在同一平面内，让__________垂直穿入手心，并使四指指向____________________，这时拇指所指的方向就是正电荷在该磁场中所受____________的方向．运动的负电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向，与沿相同方向运动的正电荷所受力的方向________． [思考] 运动电荷的速度方向与其在磁场中的受力方向有什么关系？ 提示　运动电荷的速度方向与其在磁场中的受力方向垂直． eq \a\vs4\al(三、洛伦兹力的大小) 1．推导：设导体内单位体积内的自由电荷数为n，每个自由电荷的电荷量为q，定向移动的速率为v，设长度为L的导线中的自由电荷在t时间内全部通过横截面S，通过电荷量为Q. 根据电流定义式I＝ eq \f(Q,t) 可得，I＝ eq \f(nqvtS,t) ＝nqvS 根据安培力公式F安＝BIL可得，F安＝nqvSLB 这段导线中含有的运动电荷数为nLS，而安培力是磁场作用在这段导线中的每个运动电荷的洛伦兹力的合力， 即F洛＝ eq \f(F安,nLS) ，故而可得洛伦兹力为F洛＝qvB 2．洛伦兹力公式 (1)当v⊥B时，F洛＝_______________． (2)当v//B时，F洛＝__________． (3)当v与B成θ角时，F洛＝_______________． [思考] 通电导线在磁场中受到的安培力和运动电荷在磁场中受到的洛伦兹力什么关系？ 提示　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． [对应学生用书P12] 探究点一　洛伦兹力的方向 极光出现在地球高纬度地区，是一种罕见的自然景观，其发生是由于太阳带电粒子流(太阳风)进入地球磁场，在地球南北两极附近地区的高空，夜间出现的灿烂美丽的光辉．极光不只出现在地球，在太阳系其他具有磁场的行星上，也会发生这种现象． (1)来自太阳高能带电粒子在地磁场中受到什么力的作用？ (2)极光为什么常出现于高纬度地区？ 提示　(1)洛伦兹力． (2)由于带电粒子在地磁场中受到洛伦兹力的作用，这些高能粒子转向极区，所以极光常见于高纬度地区． 1．决定洛伦兹力方向的三个因素 电荷的正负、速度方向、磁感应强度的方向．当电性一定时，其他两个因素决定洛伦兹力的方向，如果只让一个反向，则洛伦兹力必定反向；如果让两个同时反向，则洛伦兹力方向不变． 2．洛伦兹力的特点 洛伦兹力的方向随电荷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，它只改变电荷的运动方向，不改变电荷的速度大小． 3．用左手定则判定负电荷在磁场中运动所受的洛伦兹力时，应注意将四指指向负电荷运动的反方向． [特别提醒]　 (1)洛伦兹力永不做功，虽然安培力是洛伦兹力的宏观表现，但安培力可以做功． (2)利用左手定则判断洛伦兹力方向时，四指指向也可以理解为总是指向等效电流的方向． 阴极射线管中电子束由阴极沿x轴正方向射出，在荧光屏上出现如图所示的一条亮线．要使该亮线向z轴正方向偏转，可加上沿(　　) A．z轴正方向的磁场 B．y轴负方向的磁场 C．x轴正方向的磁场 D．y轴正方向的磁场 B　[若加一沿z轴正方向的磁场，根据左手定制，洛伦兹力方向沿y轴正方向，亮线向y轴正方向偏转，故A错误；若加一沿y轴负方向的磁场，根据左手定则，洛伦兹力方向沿z轴正方向，亮线向上偏转，故B正确；若加一沿x轴正方向的磁场，电子束不偏转，故C错误；若加一沿y轴正方向的磁场，根据左手定则，洛伦兹力方向沿z轴负方向，亮线向下偏转，故D错误．故选B.] [训练1]　(多选)来自太阳和其他星体的宇宙射线含有大量高能带电粒子，若这些粒子都到达地面，将会对地球上的生命带来危害．但由于地磁场的存在改变了宇宙射线中带电粒子的运动方向，使得很多高能带电粒子不能到达地面．下面说法中正确的是(　　) A．地磁场对垂直射向地球表面的宇宙射线的阻挡作用在南、北两极附近最强，赤道附近最弱 B．地磁场对垂直射向地球表面的宇宙射线的阻挡作用在南、北两极附近最弱，赤道附近最强 C．地磁场会使沿地球赤道平面垂直射向地球的宇宙射线中的带电粒子向两极偏转 D．地磁场只对带电的宇宙射线有阻挡作用，对不带电的射线(如γ射线)没有阻挡作用 BD　[由图可知地磁场对垂直射向地球表面的宇宙射线在赤道附近阻挡作用最强．南北两极射线与地磁场几乎平行，故阻挡作用最弱，A项错误，B项正确；地磁场对沿地球赤道平面垂直射向地球的宇宙射线中的带电粒子使其做曲线运动，不会向两极偏转，C项错；地磁场对不带电的射线无阻挡作用，因为它们不受洛伦兹力，故D项正确．故选B、D. [训练2]　有关洛伦兹力和安培力的描述，正确的是(　　) A．通电直导线在匀强磁场中一定受到安培力的作用 B．安培力是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现 C．带电粒子在匀强磁场中运动受到的洛伦兹力做正功 D．通电直导线在磁场中受到的安培力方向与磁场方向平行 B　[当通电直导线放置方向与匀强磁场方向在同一直线上时，不受安培力的作用，A选项错误；安培力可以看成导体内大量电子共同受到洛伦兹力的宏观表现，即B正确；在匀强磁场中，洛伦兹力始终与运动方向垂直，此时洛伦兹力不做功，C错误；由左手定则可知，通电直导线在磁场中受到的安培力方向与磁场方向垂直，D错误．故选B.] 探究点二　洛伦兹力的大小 太阳风暴爆发时会喷射大量的高能带电粒子流和等离子体，释放的物质和能量到达近地空间，可引起地球磁层、电离层、中高层大气等地球空间环境强烈扰动，从而影响人类活动． 讨论： (1)地球周围存在着地磁场，带电粒子进入地磁场后会受到洛伦兹力的作用，它对带电粒子运动的速度有何影响？ (2)洛伦兹力对进入地磁场中的带电粒子做功吗？ 提示　(1)由于洛伦兹力和速度方向始终垂直，所以洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小． (2)由于洛伦兹力和速度方向始终垂直，所以洛伦兹力对带电粒子不做功，带电粒子的动能不变． 1．洛伦兹力的一般表达式 在一般情况下，当电荷运动的方向与磁场方向的夹角为θ时，可以把速度v分解为与B平行的分速度v//及与B垂直的分速度v⊥，与B平行的分速度不产生洛伦兹力，这时F洛＝q·v⊥B＝q·Bv sin θ(如图所示). (1)当电荷的运动方向与磁场方向垂直时，洛伦兹力最大，F洛＝qvB. (2)当电荷的运动方向与磁场方向平行时，F洛＝0. (3)当电荷的运动方向与磁场方向成一定夹角θ(0°<θ<90°)时，F洛＝ qvB sin θ. 2．洛伦兹力的特点 (1)运动的电荷才有可能受到洛伦兹力，静止的电荷在磁场中不受洛伦兹力． (2)洛伦兹力的大小和方向都与带电粒子的运动状态有关． [辨析比较]　安培力与洛伦兹力的关系 (1)洛伦兹力是单个运动电荷在磁场中受到的力，而安培力是导体中所有定向移动的自由电荷受到的洛伦兹力的宏观表现． (2)尽管安培力是自由电荷定向移动时受到的洛伦兹力的宏观表现，但不能简单地认为安培力就等于所有定向移动的电荷所受洛伦兹力的合力，只有当导体静止时才能这样认为． (3)洛伦兹力对电荷恒不做功，但安培力却可以对通电导线做功，可见安培力与洛伦兹力既有联系，也有区别． 如图所示，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直于纸面向外，质量为m、带电荷量为q的小球在倾角为α的光滑斜面上由静止开始下滑．若带电小球下滑后某个时刻对斜面的压力恰好为零，问： (1)小球的带电性质如何？ (2)此时小球下滑的速度和位移分别为多大？ 解析　(1)小球沿斜面下滑，其对斜面的压力为零，说明其受到的洛伦兹力应垂直斜面向上，根据左手定则可判断小球带正电． (2)当小球对斜面压力为零时，有mg cos α＝qvB 得小球此时的速度为v＝ eq \f(mg cos α,qB) 由于小球沿斜面方向做匀加速运动，加速度为a＝g sin α 由匀变速直线运动的位移公式v2＝2ax 得x＝ eq \f(m2g cos2α,2q2B2sin α) . 答案　(1)带正电　(2) eq \f(mg cos α,qB) 　 eq \f(m2g cos2α,2q2B2sinα) [训练3]　(多选)如图甲所示，某空间存在着足够大的匀强磁场，磁场沿水平方向．磁场中有A、B两个物块叠放在一起，置于光滑水平面上．物块A带正电，物块B不带电且表面绝缘．在t＝0时刻，水平恒力F作用在物块B上，物块A、B由静止开始做加速度相同的运动．在物块A、B一起运动的过程中，图乙反映的可能是(　　) A．物块A所受洛伦兹力大小随时间t变化的关系 B．物块A对物块B的摩擦力大小随时间t变化的关系 C．物块A对物块B的压力大小随时间t变化的关系 D．物块B对地面压力大小随时间t变化的关系 CD　[由受力可知，A、B做匀加速运动，物块A受到的洛伦兹力F洛＝qvB＝qBat，t＝0时，F洛＝0，A错误；物块A对B的摩擦力大小f＝mAa，所以f随时间t的变化保持不变，B错误；A对B的压力NA＝mAg＋qvB＝mAg＋qBat，C正确；B对地面的压力NB＝(mA＋mB)g＋qBat，D正确．] [训练4]　(多选)如图所示为一个质量为m、带电量为＋q的圆环，可在水平放置的粗糙细杆上自由滑动，细杆处于磁感应强度为B的匀强磁场中，圆环以初速度v0向右运动直至处于平衡状态，则圆环克服摩擦力做的功可能为(　　) A．0　　　　　　 B． eq \f(1,2) mv eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(0)) C． eq \f(m3g2,2q2B2) D． eq \f(1,2) meq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(0)) eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(v－\f(m2g2,q2B2))) ABD　[当qv0B＝mg时，圆环不受支持力和摩擦力，摩擦力做功为零，故A正确；当qv0B<mg时，圆环做减速运动到静止，只有摩擦力做功．根据动能定理－W＝0－ eq \f(1,2) mv eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(0)) 得：W＝ eq \f(1,2) mv eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(0)) ，故B正确；当qv0B>mg时，圆环先做减速运动，当qvB＝mg时，不受摩擦力，做匀速直线运动．当qvB＝mg时得：v＝ eq \f(mg,qB) ，根据动能定理得：－W＝ eq \f(1,2) mv2－ eq \f(1,2) mv eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(0)) ，代入解得：W＝ eq \f(1,2) meq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(0)) eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(v－\f(m2g2,q2B2))) ，故C错误、D正确．] [对应学生用书P16] 1．(洛伦兹力的方向)下列关于运动电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向正确的是(　　) A　[根据左手定则判断得出正电荷的洛伦兹力方向向上，故A正确，B错误；根据左手定则判断可知，负电荷的洛伦兹力方向向上，故C、D错误；故选A.] 2．(洛伦兹力的方向)如图所示，一质量为m的带电绝缘小球用丝线悬吊于匀强磁场中．将小球分别从等高点A和B 由静止释放，不计空气阻力，则小球两次经过O点时相同的物理量是(　　) A．速度 B．丝线的拉力 C．洛伦兹力 D．向心加速度 D　[拉力与洛伦兹力对小球不做功，仅重力做功，则小球机械能守恒，所以小球分别从A点和B点向最低点O运动且两次经过O点时的动能相同，速度大小相等，方向相反，故A错误；由A选项可知，速度大小相等，则根据牛顿第二定律可知，由于速度方向不同，导致产生的洛伦兹力的方向也不同，则拉力的大小也不同，故B错误；由于小球的运动方向不同，则根据左手定则可知，洛伦兹力的方向不同，但大小相同，故C错误；根据a＝ eq \f(v2,r) ，可知小球的向心加速度大小相同，且方向指向固定点，即向心加速度相同，故D正确．] 3．(洛伦兹力的大小)如图所示，光滑的水平面上有竖直向下的匀强磁场，水平面上平放着一个试管，试管内壁光滑，底部有一个带电小球．现在对试管施加一个垂直于试管的水平拉力F，在拉力F作用下，试管向右做匀速运动，带电小球将从管口飞出．下列说法正确的是(　　) A．小球带负电 B．小球离开试管前，洛伦兹力对小球做正功 C．小球离开试管前的运动轨迹是一条抛物线 D．维持试管做匀速运动的拉力F应为恒力 C　[小球能从管口处飞出，说明小球受到指向管口的洛伦兹力，根据左手定则判断，小球带正电，故A错误；洛伦兹力在任何情况下都不做功，故B错误；设试管运动速度为v1，小球垂直于试管向右的分运动是匀速直线运动，小球沿试管方向受到洛伦兹力的分力F1＝qv1B，q、v1、B均不变，F1不变，则小球沿试管方向的分运动是匀加速直线运动，合运动与平抛运动类似，小球运动的轨迹是一条抛物线，故C正确；设小球沿试管的分速度大小为v2，则小球受到垂直试管向左的洛伦兹力的分力F2＝qv2B，v2增大，则F2增大，而拉力F＝F2，则F逐渐增大，故D错误]． 4．(洛伦兹力的大小)如图所示，有一磁感应强度大小为B、方向竖直向上的匀强磁场，一束电子流以初速度v沿水平方向射入，为了使电子流经过磁场时不偏转(不计重力)，磁场区域内必须同时存在一个匀强电场，则这个电场的场强大小和方向是(　　) A． eq \f(B,v) ，竖直向上 B． eq \f(B,v) ，水平向左 C．Bv，垂直于纸面向里 D．Bv，垂直于纸面向外 C　[根据左手定则可知电子受到垂直纸面向里的洛伦兹力，若要电子不偏转，则一定受到垂直纸面向外的电场力，故场强方向垂直纸面向里(场强方向跟负电荷受电场力方向相反)；根据平衡条件有Eq＝qvB，可知E＝Bv，选项C正确．] $$