1.2 磁场对运动电荷的作用力 课件 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

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 1、磁场对通电导线的作用力的大小和方向是怎样的？ 2、电流是如何形成的？其微观表达式的形式为？ 磁场对通电导线有作用力；而带电粒子的定向移动形成了电流。那么，磁场对运动电荷有作用力吗？ 电荷的定向移动形成的 大小：F＝BILsinθ 方向：左手定则 I F B 新课引入 2 从阴极发射出来的电子，在阴阳两极间的高压作用下，使其加速，形成电子束，轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光，可以显示电子束的运动轨迹。 观察电子束在磁场中的偏转 观察到的实验现象： 结论： 1、磁场对运动电荷有力的作用 2、磁场对运动电荷作用力的方向与磁场的方向及电荷的运动方向有关 1、没磁场，沿直线运动 2、电子流在磁场中发生了偏转，运动轨迹发生弯曲 3、当磁场的方向发生变化时，电子流的弯曲方向也发生了改变 观察电子束在磁场中的偏转 一、洛伦兹力 1. 定义:运动电荷在磁场中受到力叫做洛伦兹力 2、安培力与洛伦兹力的关系 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 安培力 洛仑兹力 磁场对电流的作用 磁场对运动电荷的作用 因 果 微观本质 宏观表现 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方向（电流方向）这时拇指所指方向就是该电荷在磁场中所受洛伦兹力方向。 既然洛伦兹力是安培力的微观本质，那么洛伦兹力的方向应该也满足左手定则 二、洛伦兹力的方向 若为负电荷，四指应指向负电荷运动的反方向 f v B F洛既与B垂直又与v垂直，即垂直于B和v所确定的平面，但B与v不一定垂直. 二、洛伦兹力的方向 F V 洛伦兹力方向的特点 洛伦兹力对带电粒子不做功 洛伦兹力会改变带电粒子速度大小吗？对带电粒子做功吗？ 只改变粒子v方向，不改变v大小。 例1、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。 v F洛 F洛 B 垂直于纸面向里运动 B v B v F洛 B v B 洛仑兹力垂直于纸面向外 - 洛仑兹力垂直于纸面向外 F洛=0 例2：(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 √ √ 例3.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 例4.在阴极射线管中电子流方向由左向右，其上方放置一根通有如图所示电流的直导线，导线与阴极射线管平行，则阴极射线将会(　　) A．向上偏转　　 B．向纸内偏转 C．向下偏转　　 D．向纸外偏转 C （1）通电导线中的电流？ （2）通电导线所受的安培力？ （3）这段导线内的自由电荷数？ （4）每个电荷所受的洛伦兹力？ 设有一段长为L，横截面积为S的直导线，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，自由电荷定向移动的速率为 v。这段通电导线垂直磁场方向放入磁感应强度为B的匀强磁场中，求： 三、洛伦兹力的大小 安培力大小等于各个自由电荷所受洛伦兹力的合力 （B与V垂直) 问题：若带电粒子不垂直射入磁场，电子受到的洛伦兹力又如何呢？ 为B和v之间的夹角 v B11 B ┴ v v v11 ┴ ① 当电荷运动的方向与磁场方向垂直时: F洛＝qvB ② 若带电粒子速度v与磁场B夹角为θ时：F洛＝qvB sinθ 1. 洛伦兹力的计算公式 2. 洛伦兹力F＝qvBsin θ 的大小理解 ①当v⊥B，F＝qvB，洛伦兹力最大 ②当v∥B 时，F＝0，不受洛伦兹力 ③当电荷静时( v =0 ): F洛＝0 (磁场对静止电荷不产生力的作用) 三、洛伦兹力的大小 3.洛伦兹力和电场力的比较： 比较项目 洛伦兹力F 电场力F 性　　质 产生条件 大　　小 磁场对在其中运动电荷的作用力 电场对放入其中电荷的作用力 v≠ 0且v不与B平行 电场中电荷一定受到电场力作用 F ＝qvB(v⊥B) F ＝qE 力方向与场 方向的关系 做功情况 力F为零时 场的情况 作用效果 一定是F⊥B，F⊥v 正电荷与电场方向相同，负电荷与电场方向相反 任何情况下都不做功 可能做正功、负功或不做功 F为零，B不一定为零 F为零，E一定为零 只改变电荷运动的速度方向，不改变速度大小 既可以改变电荷运动的速度大小，也可以改变电荷运动的方向 例5：判断 (1)运动电荷在磁场中不一定受洛伦兹力。(　　) (2)用左手定则判断洛伦兹力方向时“四指的指向”与电荷运动方向相同。(　　) (3)运动电荷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。(　　) √ × × F = qvB F = qvBcos60° F = 0 F = qvB v B 30° B v 60° v B B v 例6. 求下图中各电荷所受洛伦兹力的大小和方向： F F垂直于纸面向里 F 例7.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的初始运动方向如图所示，则(　　) A．电子将向右偏转，速率不变 B．电子将向左偏转，速率改变 C．电子将向左偏转，速率不变 D．电子将向右偏转，速率改变 A 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. 三、电子束的磁偏转 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 【思考与讨论】 ①要使电子打在O点,偏转磁场大小如何? ②要使电子打在A点,偏转磁场应该沿什么方向? ③要使电子打在B点,偏转磁场应该沿什么方向? ④要使电子从A点向B点逐渐移动,偏转磁场应该怎样变化？ 垂直纸面向外 先垂直纸面向外并逐渐减小,后垂直纸面向里并逐渐增大. 垂直纸面向里 B=0 用图像表示： 实际上，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不断移动，这在显示技术中叫作扫描（scanning）。 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，由于人的“视觉暂留”，所以我们感到整个荧光屏都在发光。 练习: 如图所示,电子枪发射电子经加速后沿虚线方向进入匀强磁场区域(图中圆内),沿图中实线方向射出磁场,最后打在屏上P点,则磁场的方向可能为(　A　)   A.垂直于纸面向外 B.垂直于纸面向内 C.平行于纸面向上 D.平行于纸面向右 洛伦兹力的应用 极光是来自太阳的带电粒子到达地球附近，地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线集中到南北两极，当它们进入极地大于80千米的高层大气时，与大气中的原子和分子碰撞并激发，从而释放能量，同时产生光芒，形成围绕磁场的大圆圈，它是一种绚丽多彩的发光现象。 极光的形成原因 一、极光的形成 在图所示的平行板器件中，电场强度E和感应强度B相互垂直。具有不同水平速度的带电粒子射入后发生偏转的情况不同。这种装置能把具有某一特定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器。试证明带电粒子速度为多少时，才能沿着图示虚线路径通过这个速度选择器。 F洛 F电 思路导引： 速度选择器中所选择的粒子都是微观粒子，其所受重力远远小于电场力（或洛伦兹力），重力对粒子运动的影响很小，所以一般情况下都忽略不计。 完全解答： 由电场特性知带正电粒子受到向下的电场力，大小是 由左手定则知收到的向上的洛伦兹力，大小 F电＝qE F洛 = qvB 二、速度选择器 F洛 F电 当F电＝ F洛 时，粒子才沿图示的直线运动，即： 知识归纳： 1、速度选择器只对选择的粒子的速度有要求，而对粒子的质量、电荷量大小及带电正、负无要求. 2、当 时，粒子向F洛方向偏转，F电做负功，粒子的动能减小，电势能增大. 3、当 时，粒子向F电方向偏转，F电做正功，粒子的动能增大，电势能减小. 一种用磁流体发电的装置如图 所示。平行金属板 A、B 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，A、B 两板间便产生电压。如果把 A、B 和用电器连接，A、 B 就是一个直流电源的两个电极。 （1） A、B 板哪一个是电源的正极 ? （2） 若 A、B 两板相距为 d，板间的磁场按匀强磁场处理，磁感应强度为 B，等离子体以速度 v 沿垂直于 B 的方向射入磁场，这个发电机的电动势是多大？ v F洛 v F洛 B 板是电源的正极 正电荷到达B板，负电荷到达A板，两板之间形成电场，运动电荷受到与洛伦兹力方向相反的电场力，但电场力小于洛伦兹力，电荷继续向两板聚集，板间电场不断增强，电荷所受电场力不断增加，当电场力等于洛伦兹力时，板上电荷处于动态稳定状态。 三、磁流体发电 （2） 若 A、B 两板相距为 d，板间的磁场按匀强磁场处理，磁感应强度为 B，等离子体以速度 v 沿垂直于 B 的方向射入磁场，这个发电机的电动势是多大？ v F洛 v F洛 此时：qvB=qE 设：板上电荷处于动态稳定时，板间电势差为U，板间电场强度为E。 E=u/d 四.电磁流量计： 四.电磁流量计： 圆管由非磁性材料制成，空间有匀强磁场。当管中的导电液体流过磁场区域时，通过电压表稳定时的读数可以计算出液体的流量Q。 V 原理： 四.电磁流量计： 五.霍尔元件(*) 如图所示，厚度为h、宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差U，这种现象称为霍尔效应. 原理：外部磁场对运动电子的洛伦兹力使电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成电场.电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的电场力.当电场力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上、下两侧面之间就会形成稳定的电势差.电流I是自由电子的定向移动形成的，电子的平均定向移动速率为v，电荷量为e. 回答下列问题： (1)达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势________(选填“高于”“低于”或“等于”)下侧面A′的电势. 低于 (2)电子所受洛伦兹力的大小为________. evB (3)当导体板上、下两侧面之间的电势差为UH时，电子所受电场力的大小 为______. (4)导体板上、下两侧面产生的稳定的电势差U＝ 。 1.产生稳定的霍尔电压条件： 电流中的运动电荷Eq==Bqv时，形成稳定电压(d-沿电场方向的距离) 总结提升 2.分析两侧面产生电势高低时应特别注意霍尔元件的材料，若霍尔元件的材料是金属，则参与定向移动形成电流的是电子，偏转的也是电子；若霍尔元件的材料是半导体，则参与定向移动形成电流的可能是正“载流子”，此时偏转的是正电荷. FormatFactory : www.pcfreetime.com Lavf58.20.100 $