資源簡介

1.2磁場對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力
[學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.通過實(shí)驗(yàn)探究，感受磁場對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用．　2.知道什么是洛倫茲力，會(huì)用左手定則判斷洛倫茲力的方向．(重點(diǎn)) 　3.了解洛倫茲力公式的推導(dǎo)過程，會(huì)用公式分析求解洛倫茲力．(重點(diǎn)) 　4.了解電視顯像管的基本構(gòu)造和工作原理．(難點(diǎn))
一、洛倫茲力
1．洛倫茲力
(1)定義： 在磁場中所受的力．
(2)洛倫茲力與安培力的關(guān)系：通電導(dǎo)體在磁場中所受的安培力是導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)電荷所受 的宏觀表現(xiàn)．
2．洛倫茲力的方向
(1)左手定則：伸開左手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向，這時(shí)拇指所指的方向就是運(yùn)動(dòng)的正電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向，負(fù)電荷受力的方向與正電荷受力的方向相反．
(2)洛倫茲力方向的特點(diǎn)：F⊥B，F(xiàn)⊥v，即F垂直于B和v所決定的平面．
3．洛倫茲力的大小
(1)當(dāng)v與B成θ角時(shí)：F＝Bqvsin_θ.
(2)當(dāng)v⊥B時(shí)：F＝qvB.
(3)當(dāng)v∥B時(shí)：F＝0.
【思考】怎樣判斷負(fù)電荷在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)受洛倫茲力的方向？
【提示】　負(fù)電荷在磁場中受力的方向與正電荷受力的方向相反，利用左手定則判斷時(shí)，應(yīng)使四指指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向．
【判斷】(1)運(yùn)動(dòng)電荷在磁感應(yīng)強(qiáng)度不為零的地方，一定會(huì)受到洛倫茲力的作用．(×)
(2)運(yùn)動(dòng)電荷在某處不受洛倫茲力的作用，則該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度一定為零．(×)
(3)用左手定則判斷洛倫茲力方向時(shí)，“四指的指向”與正電荷定向移動(dòng)方向相同．(√)
(4)洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷不做功．(√)
二、顯像管
(1)構(gòu)造：如圖所示，由電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈和熒光屏組成．
(2)原理
①電子槍發(fā)射電子．
②電子束在磁場中偏轉(zhuǎn)．
③熒光屏被電子束撞擊發(fā)光．
(3)掃描：在偏轉(zhuǎn)區(qū)的水平方向和豎直方向都有偏轉(zhuǎn)磁場，其方向、強(qiáng)弱都在不斷變化，使得電子束打在熒光屏上的光點(diǎn)從上向下、從左向右不斷移動(dòng)．
(4)偏轉(zhuǎn)線圈：使電子束偏轉(zhuǎn)的磁場是由兩對(duì)線圈產(chǎn)生的．
【思考】顯像管工作時(shí)，電子束是依次掃描熒光屏上各點(diǎn)，可為什么我們覺察不到熒光屏的閃爍？
【提示】　這是由于眼睛的視覺暫留現(xiàn)象，當(dāng)電子束掃描頻率達(dá)到人眼的臨界閃爍頻率時(shí)，由于視覺暫留的原因，人眼就感覺不到熒光屏的閃爍．
【判斷】(1)電子束帶負(fù)電，在顯像管偏轉(zhuǎn)磁場中的偏轉(zhuǎn)方向與磁場方向相反．(×)
(2)顯像管中偏轉(zhuǎn)磁場使電子所受到的洛倫茲力方向，仍遵守左手定則．(√)
預(yù)習(xí)完成后，請(qǐng)把你認(rèn)為難以解決的問題記錄在下面的表格中
問題1
問題2
問題3
問題4
探究一　洛倫茲力的方向(深化理解)
第1步　探究——分層設(shè)問，破解疑難
電荷僅在洛倫茲力作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度如何改變？
第2步　結(jié)論——自我總結(jié)，素能培養(yǎng)
1．決定洛倫茲力方向的三個(gè)因素
電荷的電性(正、負(fù))、速度方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向．當(dāng)電性一定時(shí)，其他兩個(gè)因素決定洛倫茲力的方向，如果只讓一個(gè)因素相反，則洛倫茲力方向必定相反；如果同時(shí)讓兩個(gè)因素相反，則洛倫茲力方向?qū)⒉蛔儯?br/>2．F、B、v三者方向間關(guān)系
電荷運(yùn)動(dòng)方向和磁場方向間沒有因果關(guān)系，兩者關(guān)系是不確定的．電荷運(yùn)動(dòng)方向和磁場方向確定洛倫茲力方向，F(xiàn)⊥B，F(xiàn)⊥v，即F垂直于B和v所決定的平面．
3．特點(diǎn)
洛倫茲力的方向隨電荷運(yùn)動(dòng)方向的變化而變化．但無論怎樣變化，洛倫茲力都與運(yùn)動(dòng)方向垂直，故洛倫茲力永不做功，它只改變電荷運(yùn)動(dòng)方向，不改變電荷速度大小．
第3步　例證——典例印證，思維深化
例1　勻強(qiáng)磁場中一個(gè)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子，受到洛倫茲力F的方向如圖所示，則該粒子所帶電性和運(yùn)動(dòng)方向可能是
(　　)
A．粒子帶負(fù)電，向下運(yùn)動(dòng)
B．粒子帶正電，向左運(yùn)動(dòng)
C．粒子帶負(fù)電，向上運(yùn)動(dòng)
D．粒子帶正電，向右運(yùn)動(dòng)
【思路點(diǎn)撥】　在磁場方向和洛倫茲力方向確定的情況下，正負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)方向相反．
【解析】　據(jù)左手定則，讓磁感線穿過掌心，拇指指向F的方向，可判斷出四指向上，這樣存在兩種可能：粒子帶正電向上運(yùn)動(dòng)或粒子帶負(fù)電向下運(yùn)動(dòng)，故A正確，C錯(cuò)誤；而粒子左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，所受洛倫茲力的方向向上或向下，故B、D錯(cuò)誤．
【答案】　A
判斷洛倫茲力方向的易錯(cuò)點(diǎn)
(1)注意電荷的正負(fù)，尤其是判斷負(fù)電荷所受洛倫茲力方向時(shí)，四指應(yīng)指向電荷運(yùn)動(dòng)的反方向．
(2)注意洛倫茲力的方向一定垂直于B和v所決定的平面．
(3)當(dāng)v與B的方向平行時(shí)，電荷受到的洛倫茲力為零．
第4步　巧練——精選習(xí)題，落實(shí)強(qiáng)化
1．圖中帶電粒子所受洛倫茲力的方向向上的是(　　)
【解析】　A圖中帶電粒子受力方向向上，B圖中帶電粒子受力方向向外，C圖中帶電粒子受力方向向左，D圖中帶電粒子受力方向向外，故A正確．
【答案】　A
2．帶電粒子(重力不計(jì))穿過飽和蒸汽時(shí)，在它走過的路徑上飽和蒸汽便凝成小液滴，從而顯示了粒子的徑跡，這是云室的原理，如圖所示是云室的拍攝照片，云室中加了垂直于照片向外的勻強(qiáng)磁場，圖中oa、ob、oc、od是從o點(diǎn)發(fā)出的四種粒子的徑跡，下列說法中正確的是(　　
)
A．四種粒子都帶正電
B．四種粒子都帶負(fù)電
C．打到a、b點(diǎn)的粒子帶正電
D．打到c、d點(diǎn)的粒子帶正電
【解析】　由左手定則知打到a、b點(diǎn)的粒子帶負(fù)電，打到c、d點(diǎn)的粒子帶正電，D正確．
【答案】　D
探究二　洛倫茲力的大小(深化理解)
第1步　探究——分層設(shè)問，破解疑難
1．安培力與洛倫茲力有什么關(guān)系？
2．電場力的大小與哪些因素有關(guān)？洛倫茲力的大小與哪些因素有關(guān)？
第2步　結(jié)論——自我總結(jié)，素能培養(yǎng)
1．推導(dǎo)
如圖所示，直導(dǎo)線長為L，電流為I，導(dǎo)線中運(yùn)動(dòng)電荷數(shù)為n，橫截面積為S，電荷的電量為q，運(yùn)動(dòng)速度為v，則
安培力F＝ILB＝nF洛
所以洛倫茲力F洛＝＝
因?yàn)镮＝NqSv(N為單位體積的電荷數(shù))
所以F洛＝＝·qvB，式中n＝NSL，故F洛＝qvB.
上式為電荷垂直磁場方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電荷受到的洛倫茲力，若電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向夾角為θ，則洛倫茲力為F＝qvBsin θ.
2．洛倫茲力與安培力的關(guān)系
(1)洛倫茲力是單個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中受到的力，而安培力是導(dǎo)體中所有定向移動(dòng)的自由電荷受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)．
(2)盡管安培力是自由電荷定向移動(dòng)時(shí)受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，但不能簡單地認(rèn)為安培力就等于所有定向移動(dòng)的電荷所受洛倫茲力的合力，只有當(dāng)導(dǎo)體靜止時(shí)才能這樣認(rèn)為．
(3)洛倫茲力永不做功，但安培力卻可以做功．可見安培力與洛倫茲力既有聯(lián)系，也有區(qū)別．
3．洛倫茲力與電場力的比較
對(duì)應(yīng)力內(nèi)容項(xiàng)目 洛倫茲力 電場力
性質(zhì) 磁場對(duì)在其中運(yùn)動(dòng)的電荷的作用力 電場對(duì)放入其中電荷的作用力
產(chǎn)生條件 v≠0且v不與B平行 電場中無論電荷處于何種狀態(tài)F≠0
大小 F＝qvB(v⊥B) F＝qE
方向 滿足左手定則F⊥B、F⊥v 正電荷受力方向與電場方向相同，負(fù)電荷受力方向與電場方向相反
做功情況 任何情況下都不做功 可能做正功、負(fù)功，也可能不做功
作用效果 只改變電荷運(yùn)動(dòng)的速度方向，不改變速度大小 既可以改變電荷運(yùn)動(dòng)的速度大小，也可以改變電荷運(yùn)動(dòng)的方向
第3步　例證——典例印證，思維深化
例2　有一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電小球停在絕緣平面上，并處在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場中，如圖所示，為了使小球飄離平面，勻強(qiáng)磁場在紙面內(nèi)移動(dòng)的最小速度應(yīng)為多少？方向如何？
【思路點(diǎn)撥】　小球飄離平面的條件是F洛≥mg且兩力方向相反．
【解析】　當(dāng)磁場向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于小球向右運(yùn)動(dòng)，帶正電的小球所受的洛倫茲力方向向上，當(dāng)其與重力平衡時(shí)，小球即將飄離平面．設(shè)此時(shí)速度為v，則由力的平衡有：qvB＝mg，則v＝，磁場應(yīng)水平向左平移．
【答案】　　向左平移
洛倫茲力作用下物體運(yùn)動(dòng)分析
洛倫茲力針對(duì)受力物體來看，是一普通力，因此在分析帶電物體在磁場中的運(yùn)動(dòng)時(shí)，力學(xué)規(guī)律普遍適用．
第4步　巧練——精選習(xí)題，落實(shí)強(qiáng)化
3．兩個(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1：4，電量之比為1：2，則兩帶電粒子受洛倫茲力之比為(　　)
A．2：1　　　　　　　 B．1：1
C．1：2 D．1：4
【解析】　帶電粒子的速度方向與磁感線方向垂直時(shí)，洛倫茲力F＝qvB，與電荷量成正比，與質(zhì)量無關(guān)，C項(xiàng)正確．
【答案】　C
在圖所示的各圖中，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度均為B，帶電粒子的速率均為v，帶電荷量均為q.試求出圖中帶電粒子所受洛倫茲力的大小，并指出洛倫茲力的方向．
【解析】　(1)因v⊥B，所以F＝qvB，方向與v垂直向左上方．
(2)v與B的夾角為30°，將v分解成垂直磁場的分量和平行磁場的分量，v⊥＝vsin 30°，F(xiàn)＝qvBsin 30°＝qvB，方向垂直紙面向里．
(3)由于v與B平行，所以不受洛倫茲力．
(4)v與B垂直，F(xiàn)＝qvB，方向與v垂直向左上方．
【答案】　(1)qvB　垂直v向左上方
(2)qvB　垂直紙面向里
(3)不受洛倫茲力
(4)qvB　垂直v向左上方
與洛倫茲力相關(guān)的運(yùn)動(dòng)問題的分析技巧
分析帶電體受洛倫茲力作用運(yùn)動(dòng)的問題，與分析物體在其他力作用下的運(yùn)動(dòng)一樣，要對(duì)研究對(duì)象的受力情況、運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，分析時(shí)尤其要注意：
(1)洛倫茲力與重力、彈力、摩擦力等都屬于性質(zhì)力，在研究電荷或帶電體的運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)注意洛倫茲力，受力分析時(shí)不要漏掉洛倫茲力．
(2)洛倫茲力的大小不僅與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，而且與所帶電荷量q有關(guān)，還與帶電體的運(yùn)動(dòng)速度v有關(guān)，物體的受力會(huì)使速度變化，速度的變化則會(huì)影響洛倫茲力，洛倫茲力變化會(huì)使物體的合外力和加速度也變化．所以，解決此類問題時(shí)，應(yīng)認(rèn)真進(jìn)行受力分析，并時(shí)刻注意洛倫茲力的變化．
例　(多選)如圖所示為一個(gè)質(zhì)量為m、帶電荷量為＋q的圓環(huán)，可在水平放置的足夠長的粗糙細(xì)桿上滑動(dòng)，細(xì)桿處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中．現(xiàn)給圓環(huán)向右的初速度v0，在以后的運(yùn)動(dòng)過程中，圓環(huán)運(yùn)動(dòng)的速度圖象可能是下列圖中的
(　　)
【思路點(diǎn)撥】　此題可結(jié)合f洛＝qvB與mg的大小關(guān)系分別討論．
【解析】　圓環(huán)向右運(yùn)動(dòng)，所受洛倫茲力方向向上．當(dāng)洛倫茲力qv0B＝mg，即v0＝時(shí)，圓環(huán)只受重力和洛倫茲力的作用，且二力平衡，圓環(huán)將做勻速直線運(yùn)動(dòng)，A正確．當(dāng)洛倫茲力qv0B>mg，即v0>時(shí)，圓環(huán)受到豎直向下的重力、彈力，豎直向上的洛倫茲力，水平向左的摩擦力四個(gè)力的作用，圓環(huán)向右做減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度減到v＝時(shí)，洛倫茲力qvB＝mg，二力平衡，彈力和摩擦力消失，圓環(huán)將做勻速直線運(yùn)動(dòng)，D正確．
當(dāng)洛倫茲力qv0B【答案】　AD
(1)應(yīng)注意題中可能出現(xiàn)的三種情況，即洛倫茲力可能大于、等于或小于重力．
(2)應(yīng)注意三個(gè)關(guān)系：摩擦力與速度的關(guān)系，速度與洛倫茲力的關(guān)系，洛倫茲力與摩擦力的關(guān)系．
如圖所示，表面粗糙的斜面固定于地面上，并處于方向垂直紙面向外、強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中．質(zhì)量為m、帶電荷量為＋Q的小滑塊從斜面頂端由靜止下滑．在滑塊下滑的過程中，下列判斷正確的是(　　)
A．滑塊受到的摩擦力不變
B．滑塊到達(dá)地面時(shí)的動(dòng)能與B的大小無關(guān)
C．滑塊受到的洛倫茲力方向垂直斜面向下
D．B很大時(shí)，滑塊可能靜止于斜面上
【解析】　根據(jù)左手定則可知，滑塊受到垂直斜面向下的洛倫茲力，C對(duì)．隨著滑塊速度的變化，洛倫茲力大小變化，它對(duì)斜面的壓力大小發(fā)生變化，故滑塊受到的摩擦力大小變化，A錯(cuò)．B越大，滑塊受到的洛倫茲力越大，受到的摩擦力也越大，摩擦力做功越多，據(jù)動(dòng)能定理，滑塊到達(dá)地面時(shí)的動(dòng)能就越小，B錯(cuò)．由于開始時(shí)滑塊由靜止下滑，故其開始時(shí)不受洛倫茲力，故B再大，滑塊也不可能靜止在斜面上，D錯(cuò)．
【答案】　C
2

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