磁场对运动电荷的作用力课件精.ppt

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1、磁场对运动电荷的作用力课件第1页，本讲稿共31页 二、洛伦兹力的方向二、洛伦兹力的方向 1.运动电荷在磁场中受力方向可用左手定则来判定运动电荷在磁场中受力方向可用左手定则来判定 2.洛伦兹力洛伦兹力f的方向既垂直于磁场的方向既垂直于磁场B的方向，又垂直于运动的方向，又垂直于运动电荷的速度电荷的速度v的方向，即的方向，即f总是垂直于总是垂直于B和和v所在的平面所在的平面.3.使用左手定则判定洛伦兹力方向时，若粒子带正电时，使用左手定则判定洛伦兹力方向时，若粒子带正电时，四个手指的指向与正电荷的运动方向相同四个手指的指向与正电荷的运动方向相同.若粒子带负电时，若粒子带负电时，四个手指的指向与负电荷

2、的运动方向相反四个手指的指向与负电荷的运动方向相反.4.安培力的本质是磁场对运动电荷的作用力的宏观表现安培力的本质是磁场对运动电荷的作用力的宏观表现要点要点疑点疑点考点考点第2页，本讲稿共31页 三、带电粒子在匀强磁场中的运动三、带电粒子在匀强磁场中的运动 1.不计重力的带电粒子在匀强磁场中的运动可分三种不计重力的带电粒子在匀强磁场中的运动可分三种情况：一是匀速直线运动；二是匀速圆周运动；三是情况：一是匀速直线运动；二是匀速圆周运动；三是螺旋运动螺旋运动.从运动形式可分为：匀速直线运动和变加速曲从运动形式可分为：匀速直线运动和变加速曲线运动线运动.2.如果不计重力的带电粒子的运动方向与磁场方向

3、平行时，如果不计重力的带电粒子的运动方向与磁场方向平行时，带电粒子做匀速直线运动，是因为带电粒子在磁场中不受洛带电粒子做匀速直线运动，是因为带电粒子在磁场中不受洛伦兹力的作用伦兹力的作用.要点要点疑点疑点考点考点第3页，本讲稿共31页 3.如果不计重力的带电粒子的运动方向与磁场方向垂直时，如果不计重力的带电粒子的运动方向与磁场方向垂直时，带电粒子做匀速圆周运动，是因为带电粒子在磁场中受到的洛带电粒子做匀速圆周运动，是因为带电粒子在磁场中受到的洛伦兹力始终与带电粒子的运动方向垂直，只改变其伦兹力始终与带电粒子的运动方向垂直，只改变其运动方向运动方向，不改变其不改变其速度大小速度大小.4.不计重力

4、的带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的不计重力的带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨迹半径轨迹半径r=mv/Bq;其运动周期其运动周期T=2 m/Bq(与速度大小无与速度大小无关关).(判断：判断：A洛伦兹力对运动电荷一定不做功；洛伦兹力对运动电荷一定不做功；B洛洛伦兹力对运动电荷可能做功伦兹力对运动电荷可能做功.)理由：洛伦兹力始终和速度方向垂直理由：洛伦兹力始终和速度方向垂直.要点要点疑点疑点考点考点第4页，本讲稿共31页 5.不计重力的带电粒子垂直进入匀强电场和不计重力的带电粒子垂直进入匀强电场和垂直进入匀强磁场时都做曲线运动，但有区别：垂直进入匀强磁场时都做曲线运动，但有区别：带电粒

5、子垂直进入匀强电场，在电场中做匀变带电粒子垂直进入匀强电场，在电场中做匀变速曲线运动速曲线运动(类平抛运动类平抛运动)；垂直进入匀强磁场，；垂直进入匀强磁场，则做变加速曲线运动则做变加速曲线运动(匀速圆周运动匀速圆周运动)要点要点疑点疑点考点考点第5页，本讲稿共31页 6.带电粒子在匀强磁场中做不完整圆周运动的解题思路：带电粒子在匀强磁场中做不完整圆周运动的解题思路：(1)用几何知识确定圆心并求半径用几何知识确定圆心并求半径.因为因为F方向指向圆心，根据方向指向圆心，根据F一定垂直一定垂直v，画出粒子运动，画出粒子运动轨迹中任意两点轨迹中任意两点(大多是射入点和出射点大多是射入点和出射点)的的

6、F或半径方向，或半径方向，其延长线的交点即为圆心，再用几何知识求其半径与弦长的关其延长线的交点即为圆心，再用几何知识求其半径与弦长的关系系.(2)确定轨迹所对的圆心角，求运动时间确定轨迹所对的圆心角，求运动时间.先利用圆心角与弦切角的关系，或者是四边形内角和等于先利用圆心角与弦切角的关系，或者是四边形内角和等于360(或或2)计算出圆心角计算出圆心角 的大小，再由公式的大小，再由公式t=T/3600(或或 T/2 )可求出运动时间可求出运动时间.要点要点疑点疑点考点考点第6页，本讲稿共31页总结总结:磁场对磁场对运动电荷运动电荷的作用力（洛伦兹力）的作用力（洛伦兹力）1、大小、大小：2、方向：

7、、方向：左手定则左手定则a:f的方向的方向总是总是垂直于垂直于B和和v所决定的平面所决定的平面 b:注意电荷有正负之分，四指的指向应为正电荷注意电荷有正负之分，四指的指向应为正电荷的运动方向！的运动方向！f=Bqv(适用条件：适用条件：VB）3、当电荷垂直射入匀强磁场时，在洛伦兹力、当电荷垂直射入匀强磁场时，在洛伦兹力 作用下电荷作匀速圆周运动。作用下电荷作匀速圆周运动。周期周期T的大小与带电粒子在磁场中的运动速率和半径无的大小与带电粒子在磁场中的运动速率和半径无关。关。第7页，本讲稿共31页课课 前前 热热 身身 1.如图所示，在长直导线中有恒电流如图所示，在长直导线中有恒电流I通过，导线正

8、通过，导线正下方电子初速度下方电子初速度v方向与电流方向与电流I的方向相同，电子将的方向相同，电子将()A.沿路径沿路径a运动，轨迹是圆运动，轨迹是圆 B.沿路径沿路径a运动，轨迹半径越来越大运动，轨迹半径越来越大 C.沿路径沿路径a运动，轨迹半径越来越小运动，轨迹半径越来越小 D.沿路径沿路径b运动，轨迹半径越来越大运动，轨迹半径越来越大 D第8页，本讲稿共31页 2.质子和质子和粒子在同一个匀强磁场中做半径相同的圆粒子在同一个匀强磁场中做半径相同的圆周运动，由此可知质子的动能周运动，由此可知质子的动能E1和和粒子的动能粒子的动能E2之比之比为为E1/E2=().3.一长直螺线管通有交流电，

9、一个电子以速度一长直螺线管通有交流电，一个电子以速度v沿着沿着螺线管的轴线射入管内，则电子在管内的运动情况是：螺线管的轴线射入管内，则电子在管内的运动情况是：()A.匀加速运动匀加速运动 B.匀减速运动匀减速运动 C.匀速直线运动匀速直线运动 D.在螺线管内来回往复运动在螺线管内来回往复运动课课 前前 热热 身身 C第9页，本讲稿共31页 4 4、匀强电场、匀强电场E E和匀强磁场和匀强磁场B B，方向竖直向，方向竖直向上，一质量为上，一质量为m m的带电粒子在此区域内恰以速的带电粒子在此区域内恰以速率率v v作匀速圆周运动，则它的半径作匀速圆周运动，则它的半径R=R=？解析：解析：粒子作匀速

10、圆周运动，则合外力必定是大小不粒子作匀速圆周运动，则合外力必定是大小不变，而方向时刻改变的向心力，所以，它所受到的方向不变，而方向时刻改变的向心力，所以，它所受到的方向不发生改变的力必须互相平衡，因此重力与电场力平衡，仅发生改变的力必须互相平衡，因此重力与电场力平衡，仅洛伦兹力提供向心力，则：洛伦兹力提供向心力，则：第10页，本讲稿共31页5 5、如图所示，铜质导电板置于匀强磁场、如图所示，铜质导电板置于匀强磁场中，通电时铜板中电流方向向下，由于中，通电时铜板中电流方向向下，由于磁场的作用，则（磁场的作用，则（）A.A.板左侧聚集较多电子，使板左侧聚集较多电子，使b b点电势高于点电势高于a

11、a点点B.B.板左侧聚集较多电子，使板左侧聚集较多电子，使a a点电势高于点电势高于b b点点C.C.板右侧聚集较多电子，使板右侧聚集较多电子，使a a点电势高于点电势高于b b点点D.D.板右侧聚集较多电子，使板右侧聚集较多电子，使b b点电势高于点电势高于a a点点课课 前前 热热 身身第11页，本讲稿共31页能力能力思维思维方法方法 【例例1】关于带电粒子在匀强电场和匀强磁场中的运动，关于带电粒子在匀强电场和匀强磁场中的运动，下列说法中正确的是：下列说法中正确的是：()A.带电粒子沿电场线方向射入，电场力对带电粒子不做功，带电粒子沿电场线方向射入，电场力对带电粒子不做功，粒子动能不变粒子

12、动能不变 B.带电粒子沿垂直电场线方向射入，电场力一定对带电粒带电粒子沿垂直电场线方向射入，电场力一定对带电粒子做正功，粒子动能增加子做正功，粒子动能增加 C.带电粒子沿磁感线方向射入，磁场力对带电粒子做带电粒子沿磁感线方向射入，磁场力对带电粒子做正功，粒子动能一定增加正功，粒子动能一定增加 D.不管带电粒子怎样射入磁场，磁场力对带电粒子都不管带电粒子怎样射入磁场，磁场力对带电粒子都不做功，粒子动能不变不做功，粒子动能不变D第12页，本讲稿共31页 【解析解析】电场和磁场对电荷的作用力作用效果不同，电电场和磁场对电荷的作用力作用效果不同，电场力对电荷可以做功，而磁场力对电荷一定不做功场力对电荷

13、可以做功，而磁场力对电荷一定不做功.【答案答案】D能力能力思维思维方法方法第13页，本讲稿共31页 【例例2】两个粒子带电量相等，在同一匀强磁场中只受两个粒子带电量相等，在同一匀强磁场中只受磁场力而做匀速圆周运动，则磁场力而做匀速圆周运动，则()A.若速率相等，则半径相等若速率相等，则半径相等 B.若速率相等，则周期相等若速率相等，则周期相等 C.若动量大小相等，则半径相等若动量大小相等，则半径相等 D.若动能相等，则周期相等若动能相等，则周期相等能力能力思维思维方法方法C第14页，本讲稿共31页 【解析解析】带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨迹半带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨迹半径常规公

14、式是径常规公式是r=mv/Bq,但也可以由但也可以由mv=来确定其轨来确定其轨迹半径迹半径.而带电粒子做圆周运动的周期而带电粒子做圆周运动的周期T=2 m/Bq与运动速与运动速度无关，所以正确答案为度无关，所以正确答案为C.【解题回顾解题回顾】此类问题中也有可能存在荷质比相同而此类问题中也有可能存在荷质比相同而讨论其运动规律问题，或不同电荷经同一加速电场加讨论其运动规律问题，或不同电荷经同一加速电场加速后再进入同一偏转磁场速后再进入同一偏转磁场能力能力思维思维方法方法第15页，本讲稿共31页 【例例3】一个带电粒子沿垂直于磁场的方向射入一个匀一个带电粒子沿垂直于磁场的方向射入一个匀强磁场，粒子

15、后段轨迹如图所示，轨迹上的每一小段都强磁场，粒子后段轨迹如图所示，轨迹上的每一小段都可近似看成是圆弧可近似看成是圆弧.由于带电粒子使沿途的空气电离，粒由于带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能量逐渐减少子的能量逐渐减少(带电量不变带电量不变).从图中情况可以确定：从图中情况可以确定：()A.粒子从粒子从a到到b，带正电；，带正电；B.粒子从粒子从b到到a，带正电；，带正电；C.粒子从粒子从a到到b，带负电；，带负电；D.粒子从粒子从b到到a，带负电；，带负电；能力能力思维思维方法方法B第16页，本讲稿共31页 【解析解析】电荷在磁场中做曲线运动时其轨迹半径电荷在磁场中做曲线运动时其轨迹半径r=mv

16、/Bq可知电荷的动能减小时，可知电荷的动能减小时，r也随之减小，故粒子也随之减小，故粒子是从是从b运动到运动到a(由曲率半径确定由曲率半径确定)，根据左手定则可判定电，根据左手定则可判定电荷带正电荷带正电.所以答案是所以答案是B项项.在此类问题中还有与动能定理以及穿木块问题结合在此类问题中还有与动能定理以及穿木块问题结合的物理模型，这类问题将在以后做较详细的介绍，这的物理模型，这类问题将在以后做较详细的介绍，这里仅举一例：里仅举一例：能力能力思维思维方法方法第17页，本讲稿共31页 如图所示，匀强磁场中，放置一块与磁感线平如图所示，匀强磁场中，放置一块与磁感线平行的均匀薄铅板，一个带电粒子进入

17、磁场，以半径行的均匀薄铅板，一个带电粒子进入磁场，以半径1 1=20cm=20cm做匀速圆周运动，做匀速圆周运动，第一次垂直穿过铅板后，第一次垂直穿过铅板后，以半径以半径R R2 2=19cm=19cm做匀速圆做匀速圆周运动周运动(设其电量始终保设其电量始终保持不变持不变)则带电粒子还能则带电粒子还能够穿过铅板够穿过铅板 ()()次次.能力能力思维思维方法方法9第18页，本讲稿共31页 【解题回顾解题回顾】在磁场中做匀速圆周运动的带电粒在磁场中做匀速圆周运动的带电粒子其轨迹半径变化有两种情况：其一是带电粒子的子其轨迹半径变化有两种情况：其一是带电粒子的动能变化也就是速率变化，可由动能变化也就是

18、速率变化，可由r=mv/Bq得知得知r也随也随之发生变化；其二是磁感应强度之发生变化；其二是磁感应强度B发生变化发生变化r也会随之也会随之变化变化.能力能力思维思维方法方法第19页，本讲稿共31页【例例4】如图所示，一电量为如图所示，一电量为q的带电粒子，（不计重力）的带电粒子，（不计重力）自自A点垂直射入磁感应强度为点垂直射入磁感应强度为B，宽度为，宽度为d的匀强磁场中，的匀强磁场中，穿过磁场的速度方向与原来入射方向的夹角为穿过磁场的速度方向与原来入射方向的夹角为300，则该电，则该电荷质量荷质量m是是，穿过磁场所用的时间，穿过磁场所用的时间t为为由几何知识：弧由几何知识：弧AB所对应的圆心

19、角所对应的圆心角=300,OB=OA即为半径即为半径r。故：。故：AO300BVVdP第20页，本讲稿共31页解题关键：解题关键：（1）确定运动轨迹所在圆的圆心）确定运动轨迹所在圆的圆心 和半径和半径（2）计算粒子在磁场中的运动时间：）计算粒子在磁场中的运动时间：先判定运动路径圆弧所对应的先判定运动路径圆弧所对应的 圆心角圆心角 ,再根据再根据 求得时间求得时间t。300BVVAOdP第21页，本讲稿共31页 【例例5 5】如图所示，在如图所示，在x x轴上方有匀强磁场轴上方有匀强磁场B B，一个质，一个质量为量为m m，带电量为，带电量为-q-q的的粒子，以速度的的粒子，以速度v v从从O

20、O点射入磁场，点射入磁场，角已知，粒子重力不计，求角已知，粒子重力不计，求 (1)(1)粒子在磁场中的运动时间粒子在磁场中的运动时间.(2)(2)粒子离开磁场的位置粒子离开磁场的位置.能力能力思维思维方法方法第22页，本讲稿共31页 【解析解析】可引导学生找到其圆心位置，不一定要一步到可引导学生找到其圆心位置，不一定要一步到位，先定性地确定其大概的轨迹，然后由几何关系确定圆位，先定性地确定其大概的轨迹，然后由几何关系确定圆心角、弦长与半径的关系心角、弦长与半径的关系.此题中有一点要提醒的是：此题中有一点要提醒的是：圆心一定在过圆心一定在过O点且与速度点且与速度v垂直的一条直线上垂直的一条直线上

21、.如图如图 r=mv/Bq，T=2 m/Bq 圆心角为圆心角为2-2，所以时间，所以时间t=T=离开磁场的位置与入射点的距离即为弦长离开磁场的位置与入射点的距离即为弦长s=2rsin=2mvsin/Bq能力能力思维思维方法方法第23页，本讲稿共31页 【例例6】如图所示，匀强磁场磁感应强度为如图所示，匀强磁场磁感应强度为B，方向垂直，方向垂直xOy平面向外平面向外.某一时刻有一质子从点某一时刻有一质子从点(L0，0)处沿处沿y轴负向轴负向进入磁场；同一时刻一粒子从点进入磁场；同一时刻一粒子从点(-L0，0)进入磁场，速度进入磁场，速度方向在方向在xOy平面内平面内.设质子质量为设质子质量为m，

22、电量为，电量为e，不计质子，不计质子与粒子间相互作用与粒子间相互作用.(1)如果质子能够经过坐标原如果质子能够经过坐标原点点O，则它的速度多大，则它的速度多大?(2)如果粒子第一次到达原点如果粒子第一次到达原点时能够与质子相遇，求粒子的速度时能够与质子相遇，求粒子的速度.能力能力思维思维方法方法第24页，本讲稿共31页【解析解析】带电粒子在磁场中的圆周运动的解题关键是其带电粒子在磁场中的圆周运动的解题关键是其圆心和半径，在题目中如能够先求出这两个量，则解圆心和半径，在题目中如能够先求出这两个量，则解题过程就会变得简洁，余下的工作就是利用半径公式题过程就会变得简洁，余下的工作就是利用半径公式和周

23、期公式处理问题和周期公式处理问题.(1)(1)质子能够过原点，则质子运动的轨迹半径为质子能够过原点，则质子运动的轨迹半径为R=LR=L0 0/2/2，再，再由由r=mv/Bq,r=mv/Bq,且且q=eq=e即可得：即可得：v=eBLv=eBL0 0/2m/2m；此题中还有一概；此题中还有一概念，圆心位置一定在垂直于速度的直线上，所以质子念，圆心位置一定在垂直于速度的直线上，所以质子的轨迹圆心一定在的轨迹圆心一定在x x轴上；轴上；能力能力思维思维方法方法第25页，本讲稿共31页 (2)上一问是有关圆周运动的半径问题，而这一问上一问是有关圆周运动的半径问题，而这一问则是侧重于圆周运动的周期问题

24、了，两个粒子在原则是侧重于圆周运动的周期问题了，两个粒子在原点相遇，则它们运动的时间一定相同，即点相遇，则它们运动的时间一定相同，即ta=TH/2，且粒子运动到原点的轨迹为一段圆弧，设所对应的且粒子运动到原点的轨迹为一段圆弧，设所对应的圆心角为，则圆心角为，则有有 =2 m/2Be，可得，可得=/2,则则a粒子的轨迹半径粒子的轨迹半径R=L0/2=4mv/B2e,答案为答案为v=eBL0/(4m)，与，与x轴轴正方向的夹角为正方向的夹角为/4，右向上；，右向上；事实上粒子也有可能运动事实上粒子也有可能运动3T/4时到达原点且与质时到达原点且与质子相遇，则此时质子则是第二次到原点，这种情况子相遇

25、，则此时质子则是第二次到原点，这种情况下速度大小的答案是相同的，但粒子的初速度方向下速度大小的答案是相同的，但粒子的初速度方向与与x轴的正方向的夹角为轴的正方向的夹角为3/4，左向上；，左向上；能力能力思维思维方法方法第26页，本讲稿共31页 【解题回顾解题回顾】类似问题的重点已经不是磁场力的问题类似问题的重点已经不是磁场力的问题了，侧重的是数学知识与物理概念的结合，此处的关了，侧重的是数学知识与物理概念的结合，此处的关键所在是利用圆周运动的线速度与轨迹半径垂直的方键所在是利用圆周运动的线速度与轨迹半径垂直的方向关系、弦长和弧长与圆的半径的数值关系、圆心角向关系、弦长和弧长与圆的半径的数值关系

26、、圆心角与圆弧的几何关系来确定圆弧的圆心位置和半径数值、与圆弧的几何关系来确定圆弧的圆心位置和半径数值、周期与运动时间周期与运动时间.当然当然r=mv/Bq、T=2 m/Bq两公式在这两公式在这里起到一种联系作用里起到一种联系作用.能力能力思维思维方法方法第27页，本讲稿共31页延伸延伸拓展拓展 【例例7】正负电子对撞机的最后部分的简化示意图如图所正负电子对撞机的最后部分的简化示意图如图所示，位于水平面内的粗实线所示的圆环形真空管道是正、负示，位于水平面内的粗实线所示的圆环形真空管道是正、负电子做圆周运动的电子做圆周运动的“容器容器”，经过加速器加速后的正、负电，经过加速器加速后的正、负电子被

27、分别引入该管道时，具有相等的速率子被分别引入该管道时，具有相等的速率v，它们沿管道向，它们沿管道向相反的方向运动相反的方向运动.在管道内控制它们转弯的是一系列圆形在管道内控制它们转弯的是一系列圆形电磁铁，即图中的电磁铁，即图中的A1、A2、A3、An，共，共n个，均匀布个，均匀布在整个圆环上在整个圆环上(图中只示意性地用细实线画了几个，其图中只示意性地用细实线画了几个，其余的用细虚线表示余的用细虚线表示)，第28页，本讲稿共31页 每个电磁铁内的磁场都是匀强磁场，并且磁感应强度都每个电磁铁内的磁场都是匀强磁场，并且磁感应强度都相同，方向竖直向下，磁场区域的直径为相同，方向竖直向下，磁场区域的直

28、径为d.改变电磁铁内改变电磁铁内电流的大小，就可改变磁场的磁感应强度，从而改变电流的大小，就可改变磁场的磁感应强度，从而改变电子偏转的角度电子偏转的角度.经过精确的调整，首先实现电子在环形经过精确的调整，首先实现电子在环形管道中沿图中粗虚线所示的轨迹运动，这时电子经过每个管道中沿图中粗虚线所示的轨迹运动，这时电子经过每个电磁铁时射入点和射出点都在电磁铁的同一条直径的两端，电磁铁时射入点和射出点都在电磁铁的同一条直径的两端，如图如图(2)所示所示.这就为进一步实现正、负电子的对撞作好了这就为进一步实现正、负电子的对撞作好了准备准备.延伸延伸拓展拓展第29页，本讲稿共31页 (1)试确定正、负电子

29、在管道内各是沿什么方向旋转的试确定正、负电子在管道内各是沿什么方向旋转的?(2)已知正、负电子的质量都是已知正、负电子的质量都是m，所带电荷都是元电，所带电荷都是元电荷荷e，重力不计，重力不计.求电磁铁内匀强磁场的磁感应强度求电磁铁内匀强磁场的磁感应强度B的大小的大小?延伸延伸拓展拓展第30页，本讲稿共31页 【解析解析】(1)正电子是沿逆时针方向运动，负电子是沿正电子是沿逆时针方向运动，负电子是沿顺时针方向运动顺时针方向运动.(2)电子经过电子经过1个电磁铁时，偏转角度是个电磁铁时，偏转角度是=2/n，这一，这一角度也就是电子在小磁铁中圆弧的弧心角，射入电磁角度也就是电子在小磁铁中圆弧的弧心角，射入电磁铁时与通过射入点的小磁铁的直径的夹角为铁时与通过射入点的小磁铁的直径的夹角为/2;而电子而电子在磁场中的圆周运动的半径在磁场中的圆周运动的半径R=mv/Be=d/2sin(/2)，可，可解得磁感应强度：解得磁感应强度：B=.延伸延伸拓展拓展第31页，本讲稿共31页