第2节 洛伦兹力（教学课件） 物理鲁科版选择性必修第二册

该高中物理课件聚焦洛伦兹力的大小公式、方向判断及带电粒子在匀强磁场中的运动，以极光现象导入，通过温故知新环节关联安培力与电流形成，搭建宏观到微观的认知支架，引导学生建立“磁场-运动电荷-洛伦兹力”模型。 其亮点在于以电子束偏转实验为探究基础，结合安培力微观推导落实科学思维，通过极光形成、磁流体发电机等应用体现科学态度与责任，课堂练习分层设计助学生突破重难点，教师使用可高效提升教学效果。

第1章 安培力与洛伦兹力 物理选择性必修第二册 •鲁科版2019 第2节 洛伦兹力 梦幻般的极光 极光是夜空中绚烂的光影，这自然界中最美的奇观之一是如何显现的呢？ 导入新课 物理观念 能理解洛伦兹力的定义（磁场对运动电荷的作用力），掌握其大小公式（F=qvBsinθ）及左手定则（注意电荷正负对方向的影响），建立“磁场→运动电荷→洛伦兹力”的微观作用认知，明确其与安培力的微观联系。 科学思维 能通过推导洛伦兹力公式（从安培力微观本质出发），分析电荷运动方向、磁场方向对洛伦兹力的影响，掌握带电粒子在匀强磁场中的运动情况分析。 科学探究 能参与“探究洛伦兹力方向”实验（如利用阴极射线管观察电子在磁场中的偏转），改变磁场方向、电子运动方向，记录偏转轨迹并归纳规律，验证左手定则的适用性，提高实验观察与规律验证能力。 科学态度 与责任 通过了解洛伦兹力在医学成像（如MRI）、粒子物理研究（如加速器）等领域的应用，认识其对科技进步与人类健康的意义，培养运用物理知识探索微观世界、服务社会的责任意识。 学习目标 重点难点 重点 掌握洛伦兹力大小公式（F=qvBsinθ）及左手定则（区分电荷正负）。 难点 理解洛伦兹力与安培力的微观联系及不做功的原因，掌握带电粒子在匀强磁场中的运动情况分析。 磁场对通电导线的安培力可能是作用在大量运动电荷上的作用力的宏观表现，也就是说磁场可能对运动电荷有力的作用。 问题1 磁场对与其垂直的通电导线的作用力的大小和方向？ 大小：F＝BIL 方向：左手定则 问题2 电流是如何形成的？ 由上述的两个问题你能够想到什么？ 温故知新 01. 观察电子束在磁场中的偏转 02. F v F v 实验现象及洛伦兹力 03. 1.在电子束的路径上施加磁场，电子束的径迹会发生弯曲； 2.改变磁场方向，电子束会向相反方向弯曲。 现象： 实验表明：电子束受到磁场的力的作用，径迹发生了弯曲。 运动电荷在磁场中受到的力称为洛伦兹力(Lorentz force)。 04. 左手定则：伸开左手，使拇指和其余四指垂直，并且都与手掌在同一平面内，让磁感线从掌心进入，并使四指指向正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向，这时拇指所指的方向就是该电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。 洛伦兹力的方向 高中物理选择性必修第二册 小试牛刀 试判断下列图中各带电粒子所受洛伦兹力的方向、或带电粒子的电性、或带电粒子的运动方向。 v F洛 F洛 B 垂直于纸面向里运动 B v F洛 B + v B - F洛=0 洛伦兹力的大小 05. 安培力是洛伦兹力的宏观体现，洛伦兹力是安培力的微观描述。 那么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? 若有一段长度为L的通电导线，横截面积为S，单位体积中的自由电荷数为n，每个自由电荷的电量为q，定向移动的平均速率为v，将这段导线垂直磁场方向放入磁感应强度为B的匀强磁场中。 导体电流 I 的微观表达式： I=nqsv F=BIL 这段导体所受安培力： N=nLs 导体中的自由运动电荷总数： 单个运动电荷所受洛伦兹力： 洛伦兹力的大小 05. 05. v B11 B ┴ v v v11 ┴ F洛＝qvBsinθ 电荷运动方向与磁场平行时，不受洛伦兹力 F＝0 θ＝0°： θ＝90°： 电荷运动方向与磁场垂直时，洛伦兹力最大 F＝qvB θ：电荷运动方向v与磁感应强度方向B的夹角 05. 洛伦兹力的大小 带电粒子在匀强磁场中的运动 观察运动电荷在磁场中的轨迹 励磁线圈 电子枪 玻璃泡 洛伦兹力演示仪 06. 励磁线圈：在两线圈之间产生平行于两线圈中心的连线的匀强磁场。 加速电场：作用是改变电子束出射的速度。 电子枪：射出电子。 1.不加磁场时 电子束的径迹为一条直线。 2.给励磁线圈通电 电子束的径迹为一个圆周。 3.保持出射电子的速度不变，增大磁感应强度 增大磁感应强度，电子束轨道半径减小。 重力不计，电荷在磁场中只受洛伦兹力 洛伦兹力的方向始终与运动方向垂直， 说明洛伦兹力对电荷不做功， 则电荷的速度大小不变， 根据以上，得知：电荷做匀速圆周运动 洛伦兹力大小不变， 且洛伦兹力提供向心力。 电荷做匀速圆周运动的向心力由洛伦兹力提供 则： 得： 新课讲解 电荷做匀速圆周运动的向心力由洛伦兹力提供 则： 得： 由圆周运动的周期 得： 周期跟轨道半径和运动速度无关 运动轨迹：等距螺旋线 d 拓展： 电子束的磁偏转 洛伦兹力的方向与粒子的运动速度方向垂直，当粒子在磁场中运动时，因受到洛伦兹力的作用，就会发生偏转。(显像管电视机中就应用了电子束磁偏转的原理 电子枪（阴极）—— 发射电子 偏转线圈 —— 产生垂直纸面向里或向外的偏转磁场 荧光屏 —— 被电子束撞击时发光 拓展： 等离子束 平行金属板 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，含有大量正、负带电粒子）喷入磁场，电荷在洛伦兹力偏转运动到两金属板，让两金属板带上等量异种电荷，这样两极板间便产生了电势U,U会不断增大吗？ B v v v v U qE Bqv 当Bqv＝qE 得：U＝Bdv 磁流体发电机 1879年霍尔发现，把一载流导体放在磁场中，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势差，这一现象称之为霍耳效应。 稳定时：Bev=Ee 设电流强度为I，电荷定向移动速度为v，上下两侧电压为U B I + + + + + + + + L d U ，U=Ed 拓展： 磁流体发电机 拓展： 极光的形成 I I + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + U 将一导电薄板（半导体或导体）放入垂直于板的磁场中，当的电流通过时，运动电荷会在磁场的作用下向金属某边发生偏转，这样就使金属板两边聚集了正、负电荷。使金属板两边出现了电势差，这现象是美国物理学家霍尔在1879年发现的，所以称为霍尔效应。所产生的电压称霍尔电压。 霍尔效应 利用霍尔效应制成的传感器被广泛应用于自动控制领域。 当产生的电压稳定后。粒子受到的电场力与洛伦兹力平衡。 课堂小结 洛伦兹力的大小 01 02 03 带电粒子在磁场中做圆周运动的半径和周期 带电粒子在匀强磁场中的运动 洛伦兹力的方向 F洛＝qvB 左手定则：伸开左手，使拇指和其余四指垂直，并且都与手掌在同一平面内，让磁感线从掌心进入，并使四指指向正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向，这时拇指所指的方向就是该电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。 洛伦兹力的方向一定垂直于B和v所决定的平面。 经典例题 1.将含有大量正、负带电粒子及不带电粒子的气体以一定速度垂直于磁场喷入匀强磁场中，它们在磁场中的运动径迹分成了如图所示的三束，其中②是直线。则(　　) A　①是带正电的粒子 B　②是带正电的粒子 C　③是带正电的粒子 D　③是不带电的粒子 A 解析:根据左手定则可知，①是带正电的粒子，A正确；②是不带电的粒子，B错误；根据左手定则可知，③是带负电的粒子，C、D错误。故选A。 课堂练习 2.如图所示，一半径为R的圆形区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场，一质量为m，电荷量为q的正电荷（重力忽略不计）以速度v沿正对着圆心O的方向射入磁场，从磁场中射出时速度方向改变了θ角。磁场的磁感应强度大小为（　　） B 解题思路： (1)确定圆心，画轨迹、几何方法求半径和圆心角。 (2)根据匀速圆周运动的规律公式找各物理量之间的联系。 课堂练习 解: 可见，带电粒子在磁场中运动时，洛伦兹力远大于重力，重力作用的影响可以忽略。 重力与洛伦兹力之比 F＝ qvB ＝ 1.6×10-19×5×105×0.2N ＝ 1.6×10-14N 所受的洛伦兹力 G ＝mg＝1.67×10-27×9.8 N ＝ 1.64×10-26N （1）粒子所受的重力 3.一个质量为 1.67×10-27 kg、电荷量为 1.6×10-19 C 的带电粒子，以 5×105m/s 的初速度沿与磁场垂直的方向射入磁感应强度为 0.2 T 的匀强磁场。求： （1）粒子所受的重力和洛伦兹力的大小之比； 课堂练习 （2）带电粒子所受的洛伦兹力为 由此得到粒子在磁场中运动的轨道半径 洛伦兹力提供向心力，故 F ＝ qvB （3）粒子做匀速圆周运动的周期 3.一个质量为 1.67×10-27 kg、电荷量为 1.6×10-19 C 的带电粒子，以 5×105m/s 的初速度沿与磁场垂直的方向射入磁感应强度为 0.2 T 的匀强磁场。求： （2）粒子在磁场中运动的轨道半径；（3）粒子做匀速圆周运动的周期。 课堂练习 4.如图所示，在y<0的区域内存在匀强磁场，磁场方向垂直于xOy平面并指向纸面外，磁感应强度为B。一带正电的粒子以速度v从O点射入磁场，入射方向在xOy平面内，与x轴正方向的夹角为θ。若粒子射出磁场的位置与O点的距离为l,忽略粒子所受重力，求该粒子的电荷量和质量之比。 电荷量和质量之比称荷质比也称比荷 解： 1、定圆心、画轨迹 v l 2、求半径 由图中几何关系可得 θ r 3、洛伦兹力是向心力 解得 讨论： 粒子在磁场中的运动时间。 θ 速度与同一弦的夹角相等 课堂练习 P M N A v0 B 5.如图，在PMN区域内分布有磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，有一束正离子流(不计重力)，沿纸面垂直于磁场边界MN方向从A点垂直边界射入磁场，已知MA=d，∠PMN45º，离子的质量为m、带电荷量为q、要使离子不从MP边射出，离子进入磁场的速度最大不能超过多少？ 1、分析已知和未知，确定问题类型 2、建立物理模型 v的方向已知，大小未知，是个动态圆问题 “共切缩放圆” 速度方向为切线的一组内切圆 圆心在同一直线上 3.根据限制条件寻找“临界” 4.三步走 找圆心、定半径、画轨迹 5.列式求解 思路导引： O 课堂练习 P M N A v0 B 5.如图，在PMN区域内分布有磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，有一束正离子流(不计重力)，沿纸面垂直于磁场边界MN方向从A点垂直边界射入磁场，已知MA=d，∠PMN45º，离子的质量为m、带电荷量为q、要使离子不从MP边射出，离子进入磁场的速度最大不能超过多少？ 解： O 由图中的几何关系可求得粒子的轨道半径 洛伦兹力提供向心力 6.如图，磁感应强度为B的匀强磁场垂直于纸面向里，PQ为该磁场的右边界线，磁场中有一点O到PQ的距离为r。现从点O以同一速率将相同的带负电粒子向纸面内各个不同的方向射出，它们均做半径为r的匀速圆周运动，求带电粒子打在边界PQ上的范围（粒子的重力不计）。 O 2r P Q P Q O r O 2r r Q P M N 1、分析已知和未知，确定问题类型 2、建立物理模型 v的方向未知，大小已知，是个动态圆问题 “共点旋转圆” 圆心在同一圆周上 思路导引： 3.根据限制条件寻找“临界” 4.列式求解 课堂练习 33 Lavf58.12.100 学科网 rbm.xkw.com rbm.xkw.com rbm.xkw.com Lavf58.29.100 学科网版权所有 学科网 rbm.xkw.com rbm.xkw.com rbm.xkw.com Lavf58.29.100 学科网版权所有 学科网 rbm.xkw.com rbm.xkw.com rbm.xkw.com Lavf58.20.100 学科网版权所有 Lavf58.29.100 Lavf57.83.100 $