内容正文:
磁场对运动电荷的作用力
(赋能课——精细培优科学思维)
第2节
课标要求 学习目标
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.掌握洛伦兹力的概念、大小和方向。
2.经历由安培力的表达式推导洛伦兹力表达式的过程,了解宏观与微观的联系。
3.通过演示实验,观察电子束在磁场中的偏转,认识洛伦兹力。
4.了解洛伦兹力在电视显像管中的应用。
课前预知教材
课堂精析重难
01
02
CONTENTS
目录
课时跟踪检测
03
课前预知教材
一、洛伦兹力的方向
1.洛伦兹力:_____________在磁场中受到的力。
2.洛伦兹力方向的判断
左手定则:伸开左手,使拇指与其余四个手指________,并且都与手掌在同一个平面内;让________从掌心垂直进入,并使四指指向____电荷运动的方向,这时______所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受_____________的方向。
运动电荷
垂直
磁感线
正
拇指
洛伦兹力
[微点拨]
(1)正电荷所受洛伦兹力方向用左手定则判断,和安培力的方向判断方法类似。
(2)负电荷所受洛伦兹力的方向与正电荷相反。
[情境思考]
一带负电的离子束沿图中箭头方向通过两磁极间时,它受到的洛伦兹力方向是怎样的?
提示:由题图可知,磁场方向从N极指向S极,根据左手定则可知,带负电的离子束所受的洛伦兹力的方向向下。
二、洛伦兹力的大小
1.电荷量为q的粒子以速度v运动时,如果速度方向与磁感应强度B的方向_______,则F=______。
2.当电荷运动的方向与_______的方向夹角为θ时,F=_________。
3.当电荷沿磁场方向运动(即θ=0或v∥B)时,F=_____。
垂直
qvB
磁场
qvBsin θ
0
三、电子束的磁偏转
1.显像管的构造:如图所示,由电子枪、_____________和荧光屏组成。
偏转线圈
2.显像管的原理
(1)电子枪___________________。
(2)磁场使电子束_________。
(3)荧光屏被电子束撞击发光。
发射高速电子
偏转
[质疑辨析] 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。判断下列说法的正误。
(1)要使电子束打在荧光屏上的A点,偏转磁场的方向应垂直于纸面向里。 ( )
(2)要使电子束打在荧光屏上的B点,偏转磁场的方向应垂直于纸面向里。( )
(3)要使电子束打在荧光屏上的位置由B点逐渐向A点移动,偏转磁场应垂直于纸面向里逐渐增大。 ( )
×
√
×
课堂精析重难
如图所示,电子向上射入垂直纸面向里的匀强磁场中,若电子仅受洛伦兹力作用,试判断电子偏转方向及速率如何变化?
任务驱动
强化点(一) 洛伦兹力方向的判断
提示:根据左手定则,可判断电子所受洛伦兹力方向向右,故电子沿与速度相切方向向右上方偏转;速度方向发生变化的同时,洛伦兹力的方向也跟着变化,并且洛伦兹力方向与速度方向始终垂直,所以洛伦兹力不做功,电子速率不变。
1.决定洛伦兹力方向的三个因素
要点释解明
2.F、B、v三者方向间的关系
洛伦兹力的方向既与磁场方向垂直,又与电荷的运动方向垂直,即洛伦兹力垂直于v和B两者所决定的平面,如图所示。
3.洛伦兹力的做功情况
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,洛伦兹力都与电荷运动方向垂直,故洛伦兹力永不做功,它只改变电荷运动方向,不改变电荷速度大小。
[典例] 如图所示,一只阴极射线管,左侧不断有电子射出,若在管的正下方放一通电直导线AB时,发现电子束的径迹向下偏,则 ( )
A.导线中的电流从A流向B
B.导线中的电流从B流向A
C.若要使电子束的径迹向上偏,可以通过改变AB中的电流大小来实现
D.电子束的径迹与AB中的电流方向无关
√
[解析] 由题图可知,阴极射线管中的电子受到的洛伦兹力的方向向下,所以阴极射线管处的磁场的方向垂直于纸面向里,由安培定则可知,直导线AB中的电流从B流向A,故A错误,B正确;若要使电子束的径迹向上偏,则阴极射线管处的磁场方向需垂直于纸面向外,可以通过改变AB中的电流方向来实现,与AB中的电流大小无关,故C错误;电子束的径迹与AB中的电流方向有关,故D错误。
/误区警示/
判断洛伦兹力方向时的易错点
(1)注意电荷的正负,尤其是判断负电荷所受洛伦兹力方向时,四指应指向负电荷运动的反方向。
(2)洛伦兹力的方向一定垂直于B和v所决定的平面。
1. (2025·连云港高二质检)带电粒子射向地球时,地磁场改变了它们的运动方向。赤道上空P处的地磁场方向由南指向北,一带正电粒子垂直于地面向赤道射来,如图所示。在P处该
粒子受到的洛伦兹力( )
A.方向向东 B.方向向南
C.方向向西 D.方向向北
题点全练清
√
解析:根据左手定则,可知该粒子受到的洛伦兹力方向向东。故选A。
2.(选自粤教版教材课后练习)试判定图中各带电粒子所受洛伦兹力的方向或带电粒子的运动方向。
解析:根据左手定则可判断出各带电粒子所受洛伦兹力的方向或运动方向。
[图(e)中洛伦兹力方向垂直纸面向外]
1.洛伦兹力的大小
(1)洛伦兹力F=qvB的适用条件是B⊥v;当v的方向与B的方向成一角度θ时,F=qvBsin θ。
(2)若速度方向与磁场方向平行,则F=0。速度大小或方向发生改变,则洛伦兹力也会随之改变。
要点释解明
强化点(二) 洛伦兹力大小的计算
2.洛伦兹力与安培力的关系
分类 洛伦兹力 安培力
区
别 单个运动的带电粒子所受到的磁场力 通电直导线所受到的磁场力
洛伦兹力不做功 安培力可以做功
联系 ①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方向关系:洛伦兹力与安培力均可用左手定则进行判断
[典例] 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,所带电荷量均为q。试求出图中带电粒子所受洛伦兹力的大小,并指出洛伦兹力的方向。
[答案] (1)qvB 垂直于v指向左上方 (2)qvB 垂直于纸面向里 (3)0 (4)qvB 垂直于v指向左上方
[解析] (1)因v⊥B,所以F=qvB,方向垂直于v指向左上方。
(2)v与B的夹角为30°,将v分解成垂直于磁场的分量和平行于磁场的分量,v⊥=vsin 30°,F=qvBsin 30°=qvB,方向垂直于纸面向里。
(3)由于v与B平行,所以洛伦兹力为0。
(4)v与B垂直,F=qvB,方向垂直于v指向左上方。
[思维建模]
计算洛伦兹力的大小时,应注意弄清v与磁感应强度B的方向关系。
(1)当v⊥B时,洛伦兹力F=qvB;
(2)当v∥B时,F=0;
(3)当v与B成θ角(0°<θ<90°)时,应将v(或B)进行分解取它们垂直的分量计算。
1.(2025·宁夏石嘴山阶段练习)下列有关安培力和洛伦兹力的说法正确的是 ( )
A.判断安培力和洛伦兹力的方向都用左手定则
B.运动的电荷在磁场中一定受到洛伦兹力的作用
C.安培力与洛伦兹力的本质相同,所以安培力和洛伦兹力都不做功
D.一小段通电导体在磁场中某位置受到的安培力为零,则该位置的磁感应强度一定为零
题点全练清
√
解析:安培力是磁场对通电导线的作用力,洛伦兹力是磁场对运动电荷的作用力,判断两力的方向都用左手定则,故A正确;运动的电荷在磁场中,若速度的方向与磁感应强度的方向平行,则不受洛伦兹力的作用,故B错误;安培力与洛伦兹力的本质相同,但是安培力可以做功,洛伦兹力一定不做功,故C错误;一小段通电导体在磁场中某位置受到的安培力为零,可能是该位置电流的方向与磁感应强度的方向平行,则该位置的磁感应强度不一定为零,故D错误。
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,则两带电粒子受洛伦兹力之比为 ( )
A.2∶1 B.1∶1
C.1∶2 D.1∶4
√
解析: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。
[典例] 如图所示,在磁感应强度为B的匀强磁场中,有一长为l的悬线,一端固定于O点,另一端挂一质量为m、带电荷量为+q的小球,将小球与悬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
次通过最低位置时悬线上的拉力大小为 ( )
A.3mg+Bq B.3mg+Bq
C.3mg-Bq D.3mg-Bq
强化点(三) 带电体受洛伦兹力的综合问题
√
[解析] 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方向向下。在最低位置,小球受到重力mg、洛伦兹力F和悬线的拉力FT,根据牛顿第二定律有FT-F-mg=m。小球从水平位置运动至最低位置过程中,悬线的拉力、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,B正确。
[变式拓展] 对应[典例]中的情境,则小球第二次通过最低位置时悬线上的拉力大小为 ( )
A.3mg+Bq B.3mg+Bq
C.3mg-Bq D.3mg-Bq
√
[解析] 小球第一次通过最低位置后继续向左运动,由于悬线的拉力、小球受到的洛伦兹力均不做功,因此小球运动到左侧最高点时,悬线水平且与磁感线垂直,之后小球向右摆动,第二次通过最低位置时速度大小仍为v,方向从左到右,由左手定则可知,此时小球所受洛伦兹力F'方向向上。在最低位置,小球受到重力mg、洛伦兹力F'和悬线的拉力FT',根据牛顿第二定律有FT'+F'-mg=m,又F'=qvB,解得FT'=3mg-Bq,D正确。
带电体受洛伦兹力综合问题的思维建模
(1)以带电体为模型,分析带电体的受力情况,可能有重力、弹力、摩擦力、洛伦兹力等。
(2)带电体的运动可能为直线运动、圆周运动等,其中洛伦兹力的大小和方向都可能随速度的变化而变化,但洛伦兹力永远不做功。
(3)根据不同的运动情况可以选择平衡条件、牛顿第二定律、动能定理等列方程求解。
思维建模型
1. (2025·北京石景山月考)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 ( )
题点全练清
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
√
解析:滑块在a点速度为0,不受洛伦兹力作用,故A错误;滑块自a点运动到b点的过程中,洛伦兹力不做功,支持力不做功,只有重力做功,所以滑块的机械能守恒,则有mgh=mv2,解得v=,故滑块在b点受到的洛伦兹力大小为F=qvB=qB,故B、C错误,D正确。
2.如图所示,一个质量为m的带电小滑块,放置在倾角为α的光滑绝缘斜面上,斜面固定且一半置于垂直纸面向里的匀强磁场中。小滑块由静止开始从斜面顶端沿斜面滑下,进入磁场后,下列情况不可能出现的是 ( )
A.小滑块沿斜面匀速滑到斜面底端
B.小滑块沿斜面匀加速滑到斜面底端
C.小滑块脱离斜面做曲线运动
D.小滑块先沿斜面下滑一小段距离后脱离斜面做曲线运动
√
解析:若小滑块带正电,进入磁场后,所受洛伦兹力的方向垂直斜面向下,此后小滑块会沿斜面匀加速滑到斜面底端;若小滑块带负电,进入磁场后,所受洛伦兹力的方向垂直斜面向上,若速度较小,则洛伦兹力较小,此时小滑块可能沿斜面匀加速滑到斜面底端,也可能先沿斜面下滑一小段距离后脱离斜面做曲线运动;若速度较大,则洛伦兹力较大,小滑块脱离斜面做曲线运动;分析可知小滑块不会沿斜面匀速滑到斜面底端。故选A。
课时跟踪检测
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1.下列各图中,能正确表示运动电荷在匀强磁场中所受洛伦兹力F方向的是 ( )
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解析:选项图A、B中电荷运动方向与磁场方向平行,则电荷均不受洛伦兹力F,A、B错误;根据左手定则可知,选项图C中电荷所受洛伦兹力F方向向上,选项图D中电荷所受洛伦兹力F方向向右,故C错误,D正确。
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2. (2025·常州高二调研)运动电荷在磁场中所受的力称为洛伦兹力,下列关于洛伦兹力的说法正确的是 ( )
A.静止在磁场中的电荷也受洛伦兹力的作用
B.洛伦兹力的大小与电荷的速度方向无关
C.洛伦兹力的方向总与电荷的速度方向垂直
D.洛伦兹力可以改变电荷的动能
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解析:静止在磁场中的电荷不受洛伦兹力的作用,故A错误;根据左手定则可知,洛伦兹力的方向既垂直于磁场方向,又垂直于电荷的速度方向,洛伦兹力可以表示为f=qvBsin θ,θ是v与B的夹角,所以电荷受到的洛伦兹力的大小与电荷速度的大小和方向都有关系,故B错误,C正确;洛伦兹力的方向垂直于电荷的速度方向,所以洛伦兹力不做功,洛伦兹力不可以改变电荷的动能,故D错误。
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3.如图为电视机显像管的偏转线圈示意图,线圈中心O处的黑点表示电子枪射出的电子,它的速度方向垂直纸面向外,当偏转线圈中的电流方向如图所示时,电子束应 ( )
A.向左偏转 B.向上偏转
C.向下偏转 D.不偏转
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解析:由安培定则可以判断出两个线圈的左端都是N极,磁感线分布如图所示,再由左手定则判断出电子束应向下偏转,C正确。
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4.初速度为v0的电子,沿平行于通电长直导线的方向射出,直导线中电流方向与电子初速度方向如图,则 ( )
A.电子将向左偏转
B.电子将向右偏转
C.电子所受洛伦兹力变大
D.电子所受洛伦兹力大小不变
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解析:由安培定则可知,导线右侧的磁场方向垂直纸面向里,根据左手定则可知,运动电子所受洛伦兹力方向向右,因此电子将向右偏转,A错误,B正确。洛伦兹力不做功,电子的速率不变,根据F洛=qvB,电子越向右运动,磁感应强度B越小,则F洛越小, C、D错误。
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5 .(2025·启东阶段练习)如图所示,在匀强磁场中垂直于磁场方向放置一段导线ab。磁场的磁感应强度为B,导线长度为l、横截面积为S、单位体积内自由电子的个数为n。导线中通以大小为I的电流,设导线中的自由电子定向运动的速率都相同,则每个自由电子受到的洛伦兹力( )
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A.大小为,方向垂直于导线沿纸面向上
B.大小为,方向垂直于导线沿纸面向上
C.大小为,方向垂直于导线沿纸面向下
D.大小为,方向垂直于导线沿纸面向下
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解析:设自由电子定向运动的速率为v,根据电流的微观表达式,有I=neSv,又F洛=evB,联立解得F洛=,自由电子定向运动的方向与电流方向相反,根据左手定则可知,自由电子受到的洛伦兹力方向垂直于导线沿纸面向上。故选A。
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6.带电油滴以水平速度v0垂直进入匀强磁场,恰做匀速直线运动,如图所示。若油滴质量为m,磁感应强度为B,重力加速度为g,则下列说法正确的是 ( )
A.油滴必带正电荷,电荷量为
B.油滴必带正电荷,比荷为
C.油滴必带负电荷,电荷量为
D.油滴带什么电荷都可以,只要满足电荷量为
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解析:油滴水平向右做匀速直线运动,其所受洛伦兹力必向上与重力平衡,故带正电荷,由mg=qv0B,得其电荷量q=,A正确,C、D错误;油滴的比荷=,B错误。
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7.如图所示,在示波器下方有一根与示波器轴线平行放置的通电直导线,直导线中的电流方向向右,在该电流的影响下,下列关于示波器中的电子束的说法正确的是(示波器内两个偏转电场的偏转电压都为零,不考虑地磁场的影响) ( )
A.电子束将向下偏转,电子的速率保持不变
B.电子束将向外偏转,电子的速率逐渐增大
C.电子束将向上偏转,电子的速率保持不变
D.电子束将向里偏转,电子的速率逐渐减小
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解析:由安培定则可知,通电直导线在示波器位置产生的磁场垂直纸面向外,根据左手定则可知,电子束将向上偏转;由于洛伦兹力对电子不做功,故电子的速率保持不变,故C正确,A、B、D错误。
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8.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 ( )
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解析:由题意知,要想得到以M为中心的亮线PQ,则电子束既要向上偏转,又要向下偏转,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;选项图A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;在选项图B中磁感应强度随时间t变化的规律下,可得到亮线PQ,B正确。
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9.如图所示,粗糙木板MN竖直固定在方向垂直纸面向里的匀强磁场中。t=0时,一个质量为m、电荷量为q的带正电物块沿MN以某一初速度竖直向下滑动,则物块运动的v⁃t图像不可能是 ( )
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解析:设初速度为v0,则FN0=Bqv0,若满足mg=Ff0=μFN0,即mg=μBqv0,物块向下做匀速运动,故A可能;若mg>μBqv0,则物块开始有向下的加速度,由a=可知,随着速度增大,加速度减小,即物块先做加速度减小的加速运动,最后达到匀速状态,故D可能,B不可能;若mg<μBqv0,则物块开始有向上的加速度,物块做减速运动,由a=可知,随着速度减小,加速度减小,即物块先做加速度减小的减速运动,最后达到匀速状态,故C可能。
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10.(2025·黑龙江哈尔滨期中)如图所示,质量为m的带电小物块从半径为R的固定绝缘光滑半圆槽顶点A由静止滑下,整个装置处于方向垂直纸面向里的匀强磁场中。已知物块所带的电荷量保持不变,物块运动过程中始终没有与圆槽分离,物块第一次经过圆槽最低点时对圆槽的压力与自身受到的重力大小相等,重力加速度大小为g,则物块第二次经过圆槽最低点时对圆槽的压力大小为( )
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A.3mg B.4mg
C.5mg D.6mg
解析:物块运动过程中只有重力做功,根据机械能守恒定律可知物块到达圆槽最低点时速度最大且不变,有mgR=m,解得vmax=,物块第一次经过圆槽最低点时对圆槽的压力与自身受到的重力大小相等,有F1=mg,此时物块受到向上的洛伦兹力,有F1+Bqvmax-mg=,物块第二次经过圆槽最低点时受到向下的洛伦兹力,有F2-mg-Bqvmax=,联立解得F2=5mg,故选C。
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11.如图所示,甲、乙是竖直面内两个相同的半圆形光滑轨道,M、N为两轨道的最低点,匀强磁场垂直于甲轨道平面,匀强电场平行于乙轨道平面,两个完全相同的带正电小球a、b分别从甲、乙两轨道的右侧最高点由静止释放,在它们第一次到达最低点的过程中,下列说法正确的是 ( )
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A.小球a下滑的时间比小球b下滑的时间长
B.小球a、b的机械能均不守恒
C.小球a到M点的速度小于小球b到N点的速度
D.小球a对M点的压力大于小球b对N点的压力
√
解析:由于小球a在磁场中运动,受到的洛伦兹力不做功,整个过程中小球a的机械能守恒;而小球b在电场中运动,受到的静电力做负功,到达最低点时的速度较小,所以小球b下滑的时间较长,故A、B、C错误。
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小球a在磁场中运动,在最低点对小球a受力分析可知,FM-mg-BqvM=
m,解得FM=m+mg+BqvM;小球b在电场中运动,在最低点受力分析可知,FN-mg=m,解得FN=m+mg,因为vM>vN,所以FM>FN,结合牛顿第三定律可知,小球a对M点的压力大于小球b对N点的压力,D正确。
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12.(10分)如图所示,质量m=1.0×10-4 kg的小球放在绝缘的水平面上,小球带电荷量q=2.0×10-4 C,小球与水平面间的动摩擦因数μ=0.2,外加水平向右的匀强电场E=5 V/m、垂直纸面向外的匀强磁场B=2 T,小球从静止开始运动。求:(取g=10 m/s2)
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(1)小球具有最大加速度的值为多少?(5分)
答案: 8 m/s2
解析:小球受向右的静电力,从而由静止开始运动,开始受到洛伦兹力,使得与水平面间的压力增大,导致滑动摩擦力增大,小球做加速度减小的加速运动,直到速度达到最大后,做匀速直线运动。因此刚开始运动时加速度最大,最大值为a== m/s2=8 m/s2。
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(2)小球的最大速度为多少?(5分)
答案: 10 m/s
解析:当静电力等于滑动摩擦力时,速度最大,根据平衡条件,则有mg+qvmB=FN,qE=Ff=μFN
解得vm== m/s=10 m/s。
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13.(10分)(选自沪科版教材课后练习)如图所示,一个质量m=0.1 g、所带电荷量q=5×10-4 C的小滑块,放置在倾角α=30°的光滑斜面(绝缘且足够长)上,斜面置于B=0.5 T的匀强磁场中,磁场方向垂直纸面向里。小滑块由静止开始沿斜面下滑,它滑至某一位置时会离开斜面。问:(g取10 m/s2)
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(1)小滑块带何种电荷?(2分)
解析:因为小滑块滑至某一位置时会离开斜面,可知小滑块受到的洛伦兹力垂直斜面向上,根据左手定则判断,小滑块带负电荷。
答案:负电荷
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(2)小滑块离开斜面时的瞬时速度为多大?(4分)
答案:2 m/s
解析:根据题意,小滑块离开斜面的瞬间有
qvB=mgcos α
解得v== m/s=2 m/s。
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(3)该斜面的长度至少要多长?(4分)
答案:1.2 m
解析:根据牛顿第二定律有mgsin α=ma
再根据v2=2ax,解得x=1.2 m。
本课结束
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