高中物理 第三章 磁場 4磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用 洛倫茲力課件 教科版選修31

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1、4 4 磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用洛倫茲力洛倫茲力“太陽風(fēng)太陽風(fēng)”受到了什么力的作用，這受到了什么力的作用，這種力的方向和大小是怎樣的？種力的方向和大小是怎樣的？1.1.通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)洛倫茲力，知道什么叫做洛倫茲力；通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)洛倫茲力，知道什么叫做洛倫茲力；2.2.知道洛倫茲力的方向與哪些因素有關(guān)，會(huì)用左手定則知道洛倫茲力的方向與哪些因素有關(guān)，會(huì)用左手定則判定洛倫茲力的方向判定洛倫茲力的方向. .（重點(diǎn)）（重點(diǎn)）3.3.能根據(jù)安培力公式和電流強(qiáng)度的微觀表達(dá)式推導(dǎo)洛倫能根據(jù)安培力公式和電流強(qiáng)度的微觀表達(dá)式推導(dǎo)洛倫茲力的表達(dá)式茲力的表達(dá)式. .4.4.會(huì)推導(dǎo)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速

2、圓周運(yùn)動(dòng)的半徑、會(huì)推導(dǎo)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑、周期公式，知道它們與哪些因素有關(guān)周期公式，知道它們與哪些因素有關(guān). .陰極射線管的結(jié)構(gòu)陰極射線管的結(jié)構(gòu)陰極射線管的原理陰極射線管的原理: : 從陰極發(fā)射出來的電從陰極發(fā)射出來的電子，在陰陽兩極間的高壓子，在陰陽兩極間的高壓作用下，使電子加速，形作用下，使電子加速，形成電子束，轟擊到長條形成電子束，轟擊到長條形的熒光屏上激發(fā)出熒光，的熒光屏上激發(fā)出熒光，可以顯示電子束的運(yùn)動(dòng)軌可以顯示電子束的運(yùn)動(dòng)軌跡跡. .實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 在沒有外磁場時(shí)，電子束沿直線運(yùn)動(dòng)，將蹄在沒有外磁場時(shí)，電子束沿直線運(yùn)動(dòng)，將蹄形磁鐵靠近陰極射線管，發(fā)現(xiàn)電子

3、束運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)形磁鐵靠近陰極射線管，發(fā)現(xiàn)電子束運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了彎曲生了彎曲. .結(jié)論：結(jié)論：磁場對運(yùn)動(dòng)電荷有作用力磁場對運(yùn)動(dòng)電荷有作用力. . 荷蘭物理學(xué)家，他是荷蘭物理學(xué)家，他是電子論的創(chuàng)始人電子論的創(chuàng)始人. .相對論相對論中洛倫茲變換的建立者，中洛倫茲變換的建立者，并因在原子物理中的重要并因在原子物理中的重要貢獻(xiàn)（塞曼效應(yīng)）獲得第貢獻(xiàn)（塞曼效應(yīng)）獲得第二屆（二屆（19021902年）諾貝爾物年）諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)理學(xué)獎(jiǎng). .被愛因斯坦稱為被愛因斯坦稱為“我們時(shí)代最偉大，最高我們時(shí)代最偉大，最高尚的人尚的人”. .洛倫茲洛倫茲(Lorentz(Lorentz， 18531928)18531928)一

4、、洛倫茲力一、洛倫茲力1.1.定義：定義： 運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中受到的磁場力稱為運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中受到的磁場力稱為洛倫茲力洛倫茲力.洛倫茲力使粒子運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)洛倫茲力使粒子運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)來自太陽的大量帶電粒子來自太陽的大量帶電粒子 在太陽創(chuàng)造的諸如光和熱等形式的能量中，有一在太陽創(chuàng)造的諸如光和熱等形式的能量中，有一種能量被稱為種能量被稱為“太陽風(fēng)太陽風(fēng)”. .這是一束可以覆蓋地球的強(qiáng)這是一束可以覆蓋地球的強(qiáng)大的帶電亞原子顆粒流，該太陽風(fēng)在地球上空環(huán)繞地大的帶電亞原子顆粒流，該太陽風(fēng)在地球上空環(huán)繞地球流動(dòng)，以大約每秒球流動(dòng)，以大約每秒400400公里的速度撞擊地球磁場，公里的速度撞擊地球磁場，磁

5、磁場使該顆粒流偏向地磁極下落場使該顆粒流偏向地磁極下落，它們與氧原子和氮，它們與氧原子和氮原原子子碰撞，擊走電子，使之成為激發(fā)態(tài)的離子，這些離碰撞，擊走電子，使之成為激發(fā)態(tài)的離子，這些離子發(fā)射不同波長的輻射，產(chǎn)生紅、綠子發(fā)射不同波長的輻射，產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)等色的極光藍(lán)等色的極光特征色彩，形成極光特征色彩，形成極光. .在南極地區(qū)形成的叫南極光在南極地區(qū)形成的叫南極光. .在在北極地區(qū)同樣可看到這一現(xiàn)象，稱之為北極光北極地區(qū)同樣可看到這一現(xiàn)象，稱之為北極光. .2.2.洛倫茲力的大?。郝鍌惼澚Φ拇笮。?靜止的通電導(dǎo)線在磁場中受到安培力的作用，靜止的通電導(dǎo)線在磁場中受到安培力的作用，電流是電荷的定向

6、移動(dòng)形成的，安培力等于磁場中電流是電荷的定向移動(dòng)形成的，安培力等于磁場中粒子所受洛倫茲力的總和，即安培力是洛倫茲力的粒子所受洛倫茲力的總和，即安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)宏觀表現(xiàn). .洛倫茲力是安培力的洛倫茲力是安培力的微觀本質(zhì)微觀本質(zhì). .FvvvvIBvvvv設(shè)有一段長為設(shè)有一段長為L L，橫截面積為，橫截面積為S S的直導(dǎo)線，單位體積內(nèi)的自由電的直導(dǎo)線，單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為荷數(shù)為n n，每個(gè)自由電荷的電荷量，每個(gè)自由電荷的電荷量為為q q，自由電荷定向移動(dòng)的速率為，自由電荷定向移動(dòng)的速率為v v. .這段通電導(dǎo)線垂直磁場方向放這段通電導(dǎo)線垂直磁場方向放入磁感應(yīng)強(qiáng)度為入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B

7、的勻強(qiáng)磁場中，的勻強(qiáng)磁場中，則則F=BIL=nLSFF=BIL=nLSF洛洛F F洛洛=qvB=qvBQnLSqIttLvtqvBF洛電荷量為電荷量為q q的粒子以速度的粒子以速度v v運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí), ,如果速度方如果速度方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直垂直，那么粒子所受的洛倫，那么粒子所受的洛倫茲力為茲力為(v(v垂直于垂直于B)B)問題問題: :若帶電粒子不垂直射入磁場若帶電粒子不垂直射入磁場, ,粒子受到的洛粒子受到的洛倫茲力又如何計(jì)算呢倫茲力又如何計(jì)算呢? ?如果速度如果速度v v與磁場與磁場B B不垂直，我們可以把速度不垂直，我們可以把速度v v分解分解為垂直于磁場的為垂直

8、于磁場的v v1 1 和平行于磁場的和平行于磁場的v v2 2 ，垂直于磁，垂直于磁場方向所受的洛倫茲力場方向所受的洛倫茲力F=qvF=qv1 1B B ，平行于磁場方向，平行于磁場方向F=0.F=0.V1V23.3.洛倫茲力的方向洛倫茲力的方向通電導(dǎo)線所受安培力的方向我們是用左手定則來判斷的通電導(dǎo)線所受安培力的方向我們是用左手定則來判斷的,帶電粒子在磁場中所受洛倫帶電粒子在磁場中所受洛倫茲力的方向，同樣可以用茲力的方向，同樣可以用左左手定則手定則來判斷，注意四指的來判斷，注意四指的指向與指向與正電荷正電荷的運(yùn)動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)方向相相同同，與，與負(fù)電荷負(fù)電荷的運(yùn)動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)方向相相反反. 伸開左手

9、伸開左手,使拇指與其余四指垂直且處于同一平面內(nèi)；使拇指與其余四指垂直且處于同一平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進(jìn)入，讓磁感線從掌心進(jìn)入，使四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向使四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向，拇指所指的方向就是正電荷所受洛倫茲力的方向拇指所指的方向就是正電荷所受洛倫茲力的方向 .左手定則：左手定則：VF二、帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)二、帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)VB我們從左手定則可以知道，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中我們從左手定則可以知道，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動(dòng)所受洛倫茲力的方向總是與速度方向垂直運(yùn)動(dòng)所受洛倫茲力的方向總是與速度方向垂直洛倫茲力對運(yùn)動(dòng)電荷不做功，即粒子速度大小洛倫茲力對運(yùn)動(dòng)電荷不做功，即粒子速度大小不變

10、，方向時(shí)刻改變不變，方向時(shí)刻改變.粒子速度怎樣變化呢粒子速度怎樣變化呢洛倫茲力怎樣變洛倫茲力怎樣變化呢化呢大小恒為大小恒為F=qvBF=qvB, ,方向時(shí)刻與速度方向垂直方向時(shí)刻與速度方向垂直V結(jié)論：結(jié)論：帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)設(shè)圓周半徑為設(shè)圓周半徑為R R，根據(jù)牛頓第二定律和向心力，根據(jù)牛頓第二定律和向心力公式有公式有F=qvBF=qvB = =得得 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑徑R R和周期和周期T T是怎樣的呢？是怎樣的呢？m vRq B帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期

11、 得得2 mTqB2mvR2 RTv例例1.1.關(guān)于帶電粒子所受洛倫茲力關(guān)于帶電粒子所受洛倫茲力F F、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度B B和粒和粒子速度子速度v v三者之間的關(guān)系，下列說法中正確的是三者之間的關(guān)系，下列說法中正確的是（ ）A.FA.F、B B、v v三者必定兩兩相互垂直三者必定兩兩相互垂直B.FB.F必定垂直于必定垂直于B B、v v，但，但B B不一定垂直于不一定垂直于v vC.BC.B必定垂直于必定垂直于F F，但，但F F不一定垂直于不一定垂直于v vD.vD.v必定垂直于必定垂直于F F，但，但F F不一定垂直于不一定垂直于B BB B【典例分析【典例分析】例例2.2.帶正電

12、粒子以帶正電粒子以4 410106 6m/sm/s的速率垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度的速率垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為為0.5T0.5T的勻強(qiáng)磁場中，受到的磁場力為的勻強(qiáng)磁場中，受到的磁場力為 N N，如，如果帶正電粒子射入磁場時(shí)的速度果帶正電粒子射入磁場時(shí)的速度v v與與B B的方向間的夾角是的方向間的夾角是180180，則電子所受的磁場力為，則電子所受的磁場力為 N. N. 3.23.21010-13-130 0+ +例例3.3.兩個(gè)帶電粒子沿垂直磁場方向射入同一勻強(qiáng)磁場兩個(gè)帶電粒子沿垂直磁場方向射入同一勻強(qiáng)磁場中，它們在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑相同，且轉(zhuǎn)中，它們在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑相同，且轉(zhuǎn)動(dòng)方

13、向也相同，那么這兩個(gè)粒子的情況是（動(dòng)方向也相同，那么這兩個(gè)粒子的情況是（ ）A A兩兩個(gè)個(gè)粒子的速度大小一定相同粒子的速度大小一定相同 B B兩兩個(gè)個(gè)粒子的質(zhì)量一定相同粒子的質(zhì)量一定相同C C兩兩個(gè)個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)周期一定相同粒子的運(yùn)動(dòng)周期一定相同 D D兩兩個(gè)個(gè)粒子所帶電荷種類一定相同粒子所帶電荷種類一定相同D D1.1.洛倫茲力：磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力洛倫茲力：磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用力 安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)2.2.洛倫茲力的方向：左手定則洛倫茲力的方向：左手定則 FvFv FB FB 3.3.洛倫茲力大?。郝鍌惼澚Υ笮。?F F洛洛=qvBsin=qvBsin v

14、B vB F F洛洛=qvB=qvB vB vB F F洛洛= 0= 05.5.垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中的帶電粒子，洛倫茲力提供向垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中的帶電粒子，洛倫茲力提供向心力，粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其半徑為心力，粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其半徑為 ，周，周期為期為4.4.特點(diǎn)：洛倫茲力只改變速度的方向，不改變速度的特點(diǎn)：洛倫茲力只改變速度的方向，不改變速度的大小，洛倫茲力對運(yùn)動(dòng)電荷不做功大小，洛倫茲力對運(yùn)動(dòng)電荷不做功. .2mTq Bm.vRq B1.1.下列有關(guān)電荷所受電場力和洛倫茲力的說法中，下列有關(guān)電荷所受電場力和洛倫茲力的說法中，正確的是（正確的是（ ）A.A.電荷在磁場中一定受磁場力的作用電荷

15、在磁場中一定受磁場力的作用B.B.電荷在電場中一定受電場力的作用電荷在電場中一定受電場力的作用C.C.電荷受電場力的方向與該處電場方向垂直電荷受電場力的方向與該處電場方向垂直D.D.電荷若受磁場力，則受力方向與該處磁場方向垂直電荷若受磁場力，則受力方向與該處磁場方向垂直BDBD2.2.兩個(gè)帶電粒子以相同的速度垂直磁感線方向進(jìn)入同兩個(gè)帶電粒子以相同的速度垂直磁感線方向進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，兩粒子質(zhì)量之比為一勻強(qiáng)磁場，兩粒子質(zhì)量之比為1:41:4，電量之比為，電量之比為1:21:2，則兩帶電粒子所受洛倫茲力之比為（，則兩帶電粒子所受洛倫茲力之比為（ ）A.2:1 B.1:1 C.1:2 D.1:4A.

16、2:1 B.1:1 C.1:2 D.1:4C C3.3.（20122012廣東高考）質(zhì)量和電量都相等的帶電粒子廣東高考）質(zhì)量和電量都相等的帶電粒子M M和和N,N,以不同的速率經(jīng)小孔以不同的速率經(jīng)小孔S S垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場, ,運(yùn)行的半運(yùn)行的半圓軌跡如圖中虛線所示圓軌跡如圖中虛線所示, ,下列表述正確的是下列表述正確的是( () ) A.MA.M帶負(fù)電帶負(fù)電,N,N帶正電帶正電B.MB.M的速率小于的速率小于N N的速率的速率C.C.洛倫茲力對洛倫茲力對M M、N N做正功做正功D.MD.M的運(yùn)行時(shí)間大于的運(yùn)行時(shí)間大于N N的運(yùn)行時(shí)間的運(yùn)行時(shí)間A A【解析【解析】選選A.A.由

17、左手定則可知由左手定則可知A A選項(xiàng)正確選項(xiàng)正確. .由由 得，得，B B選項(xiàng)錯(cuò)誤選項(xiàng)錯(cuò)誤. .由于洛侖茲力的方向始終與帶電粒子由于洛侖茲力的方向始終與帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向垂直，故洛侖茲力永遠(yuǎn)不會(huì)對的運(yùn)動(dòng)方向垂直，故洛侖茲力永遠(yuǎn)不會(huì)對M M、N N做功，做功，則則C C選項(xiàng)錯(cuò)選項(xiàng)錯(cuò). .由由 及題給條件可知，這二個(gè)帶電及題給條件可知，這二個(gè)帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的周期相等，又由圖可見二個(gè)粒子粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的周期相等，又由圖可見二個(gè)粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)角相等，均偏轉(zhuǎn)了半個(gè)周期，故在磁在磁場中的偏轉(zhuǎn)角相等，均偏轉(zhuǎn)了半個(gè)周期，故在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相等，所以場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相等，所以D D選項(xiàng)錯(cuò)誤選項(xiàng)錯(cuò)誤.

18、 .BqmvR qBmT24.4.質(zhì)子（質(zhì)子（ ）和）和粒子（粒子（ ）以相同的速度垂直）以相同的速度垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場中，它們在垂直于磁場的平面內(nèi)做進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場中，它們在垂直于磁場的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，它們的軌道半徑和運(yùn)動(dòng)周期的關(guān)系是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，它們的軌道半徑和運(yùn)動(dòng)周期的關(guān)系是 ( )( )A AR RH H:R:R=1:2=1:2，T TH H:T:T=1:2 =1:2 B. RB. RH H:R:R=2:1=2:1，T TH H:T:T=1:2 =1:2 C. RC. RH H:R:R=1:2, T=1:2, TH H:T:T=2:1 =2:1 D. RD. RH H:R:R=

19、1:4, T=1:4, TH H:T:T=1:4=1:4A A11H42He5.5.月球上的磁場極其微弱月球上的磁場極其微弱, ,探測器通過測量運(yùn)動(dòng)電子在探測器通過測量運(yùn)動(dòng)電子在月球磁場中的軌跡來推算磁場強(qiáng)弱的分布，如圖所示月球磁場中的軌跡來推算磁場強(qiáng)弱的分布，如圖所示是探測器通過月球上是探測器通過月球上A A、B B、C C、D D四個(gè)位置時(shí)四個(gè)位置時(shí), ,電子運(yùn)動(dòng)電子運(yùn)動(dòng)軌跡的照片軌跡的照片, ,設(shè)電子速率均為設(shè)電子速率均為90m/s,90m/s,且方向與磁場方向且方向與磁場方向垂直垂直, ,其中磁場最強(qiáng)的是其中磁場最強(qiáng)的是 位置位置. .圖圖A A中電子軌道半中電子軌道半徑為徑為10cm

20、10cm，由公式，由公式R= R= 知，知，A A點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 T.T.（電子荷質(zhì)比為（電子荷質(zhì)比為1.81.810101111C/kgC/kg）A A 5 51010-9-9 mvqB6.(20136.(2013安徽高考安徽高考) )圖中圖中A A，B B，C C，D D為四根與紙面垂直的為四根與紙面垂直的長直導(dǎo)線，其橫截面位于正方形的四個(gè)頂點(diǎn)上，導(dǎo)線中通長直導(dǎo)線，其橫截面位于正方形的四個(gè)頂點(diǎn)上，導(dǎo)線中通有大小相同的電流，方向如圖所示。一帶正電的粒子從正有大小相同的電流，方向如圖所示。一帶正電的粒子從正方形中心方形中心O O點(diǎn)沿垂直于紙面的方向向外運(yùn)動(dòng)，它所受洛倫茲點(diǎn)沿垂

21、直于紙面的方向向外運(yùn)動(dòng)，它所受洛倫茲力的方向是力的方向是( )( )A A向上向上 B B向下向下 C C向左向左 D D向右向右【解析【解析】選選B.B.由右手定則可以判出由右手定則可以判出a a，b b，c c，d d四根在正方形中心四根在正方形中心O O處產(chǎn)生的磁感應(yīng)處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖所示：強(qiáng)度如圖所示：四個(gè)磁感強(qiáng)度按矢量的平行四邊形定則合成，四個(gè)磁感強(qiáng)度按矢量的平行四邊形定則合成，可得合磁場為水平向左可得合磁場為水平向左. .由左手定則可得由左手定則可得洛倫茲力方向豎直向下，故洛倫茲力方向豎直向下，故B B項(xiàng)正確項(xiàng)正確. .B B 風(fēng)再冷，不會(huì)永遠(yuǎn)不息；霧再濃，不會(huì)經(jīng)久不散.風(fēng)息霧散，仍是陽光燦爛.