知识讲解_磁场对运动电荷的作用力基础.pdf

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1、高中物理 高中物理 磁场对运动电荷的作用力 【学习目标】1理解洛伦兹力和安培力的关系，能够由已知的安培力的大小和方向推知洛伦兹力的大小和方向。2理解洛伦兹力大小的决定因素，弄清洛伦兹力与电场力的区别，能够熟练地运用洛伦兹力的计算公式。3理解洛伦兹力方向与磁场方向、电流方向的关系，能够熟练地运用左手定则判断洛伦兹力的方向。4掌握并能熟练地运用洛伦兹力的特点：与速度方向垂直，永远不做功，不改变运动电荷的动能。【要点梳理】要点一、洛伦兹力的大小和方向 要点诠释：1洛伦兹力 运动电荷在磁场中所受的力叫做洛伦兹力。2洛伦兹力与安培力的关系 （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解释。电

2、流是带电粒子定向运动形成的，通电导线在磁场中受到磁场力（安培力）的作用，揭示了带电粒子在磁场中运动时要受磁场力作用的本质 （2）大小关系：FNF安洛，式中的 N 是导体中的定向运动的电荷数。3洛伦兹力的方向左手定则 伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内，让磁感线从掌心进入，并使四指指向正电荷运动的方向，这时拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向。负电荷受力的方向与正电荷受力的方向相反。4洛伦兹力的大小 洛伦兹力的大小用公式sinFqvB来计算，其中为电荷速度方向与磁感应强度方向的夹角。（1）当运动电荷运动方向与磁感应强度方向垂直时：F=qvB；（2）

3、当运动电荷运动方向与磁感应强度方向平行时：F=0；（3）当电荷在磁场中静止时：F=0。要点二、对洛伦兹力的理解 要点诠释：1如何正确理解洛伦兹力的方向 （1）洛伦兹力的方向可由左手定则判定，决定洛伦兹力方向的因素有三个：电荷的电性（正、负）、速度方向、磁感应强度的方向。当电荷一定即电性一定时，其他两个因素中，如果只让一个因素的方向相反，则洛伦兹力方向必定相反；如果同时让两个因素的方向相反，则洛伦兹力方向将不变。（2）在电荷的运动方向与磁场方向垂直时，由左手定则可知，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 两者决定的平面。（3）电荷运动的方向 v 和

4、 B 不一定垂直，但洛伦兹力一定垂直于磁感应强度 B 和速度 v 的方向。2应用洛伦兹力公式应注意的问题 （1）公式 F=qvB 仅适用于 vB 的情况，式中的 v 是电荷相对于磁场的运动速度。（2）当电荷的运动方向与磁场方向相同或相反，即 v 与 B 平行时，由实验可知，F=0。所以只有当 v与 B 不平行时，运动电荷才受洛伦兹力。当电荷运动方向与磁场方向夹角为时，电荷所受洛伦兹力的计算公式为：FBqvsin。（3）当 v=0 时，F=0。即磁场对静止的电荷无作用力，磁场只对运动电荷有作用力。这与电场对其中的静止电荷或运动电荷总有电场力作用是不同的。3洛伦兹力与安培力、电场力有何区别和联系

5、（1）洛伦兹力与安培力的关系 洛伦兹力是单个运动电荷在磁场中受到的力，而安培力是导体中所有定向移动的自由电荷受到的洛伦兹力的宏观表现；尽管安培力是自由电荷定向移动时受到的洛伦兹力的宏观表现，但也不能认为安培力就简单地等于所有定向移动电荷所受洛伦兹力的和，一般只有当导体静止时才能这样认为；洛伦兹力恒不做功，但安培力却可以做功。高中物理 高中物理 可见安培力与洛伦兹力既有紧密相关、不可分割的联系，也有显著的区别。（2）洛伦兹力与电场力的比较 这两种力是带电粒子在两种不同的场中受到的力，反映了磁场和电场都有力的性质，但这两种力的区别也是十分明显的。洛伦兹力 电场力 作用对象 仅在运动电荷的速度方向与

6、 B 不平行时，运动电荷才受到洛伦兹力 带电粒子只要处在电场中，一定受到电场力 大小、方向 FBqvsin，方向与 B 垂直，与 v 垂直，用左手定则判断 F=qE，F 的方向与 E 同向或反向 特点 洛伦兹力永不做功 电场力可做正（或负）功 要点三、电视机显像管的工作原理 要点诠释：1构造 电视机显像管由电子枪、偏转线圈和荧光屏三部分组成，如图所示。2原理 阴极发射电子，经过偏转线圈（偏转线圈产生的磁场和电子运动方向垂直）电子受洛伦兹力发生偏转，偏转后的电子打在荧光屏上，使荧光屏发光。3扫描 在电视机显像管的偏转区有两对线圈，叫做偏转线圈，偏转线圈中通入大小、方向按一定规律变化的电流，分别在

7、竖直方向和水平方向产生偏转磁场，其方向、强弱都在不断地变化，因此电子束打在荧光屏上的光点就像下图那样不断移动，这种电视技术叫做扫描。4工作过程 电视机显像管发射电子，在加速电场中被加速后进入偏转磁场。在偏转磁场的作用下，电子束在荧光屏上扫描。电子束从最上一行到最下一行扫描一遍，叫做一场，电视机中每秒要进行 50 场扫描，加上人的“视觉暂留”，所以我们感到整个荧光屏都在发光。【典型例题】类型一、对磁场力的基本认识 例 1、在磁感应强度为 B 的匀强磁场中，垂直于磁场方向放入一段通电导线若任意时刻该导线中有 N 个以速度 v 做定向移动的电荷，每个电荷的电荷量为 q则每个电荷所受的洛伦兹力 f=_

8、，该段导线所受的安培力为 F=_。【答案】qvB NqvB 高中物理 高中物理【解析】垂直于磁场方向运动的带电粒子所受洛伦兹力的表达式为 f=qvB，导体在磁场中所受到的安培力实质是导体中带电粒子所受洛伦兹力的宏观体现，即安培力 F=Nf=NqvB 【总结升华】解题时要明确安培力是洛伦兹力的宏观体现洛伦兹力是安培力的微观解释 类型二、洛伦兹力的方向 例 2、在真空中的玻璃管中，封有两个电极，当加上电压后，会从阴极射出一束高速电子流，射向阴极，称为阴极射线 如在阴极射线管的正上方平行放置一根通以强电流的长直导线，其电流方向如图所示，则阴极射线将会（）A向上偏斜 B向下偏斜 C向纸内偏斜 D向纸外

9、偏斜【思路点拨】分别用左、右手定则判断磁场方向和洛伦兹力。【答案】A 【解析】本题考查左、右手定则判断磁场方向和洛伦兹力根据安培定则判定通电导线周围磁场方向下部分向外；根据左手定则判断阴极射线在磁场中受力方向向上，故正确答案为 A 【总结升华】阴极射线是电子流，电子带负电，应用左手定则时应将四指指向电子束运动相反的方向即负电荷受力的方向和正电荷受力的方向相反 举一反三【高清课程：磁场对运动电荷的作用 例题 1】【变式】如图所示，阴极射线管(A 为其阴极)放在蹄形磁铁的 N、S 两极间，射管的 A、B 两极分别接在直流高压电源的_极和_极.此时，荧光屏上的电子束运动轨迹_偏转(选填“向上”、“向

10、下”或“不”)。【答案】负 正 向下 类型三、洛伦兹力的大小 例 3、在如图所示的各图中，匀强磁场的磁感应强度均为 B，带电粒子的速率均为 v，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，并标出洛伦兹力的方向 【答案】见解析 【解析】（1）因 vB，所以 F=qvB，方向与 v 垂直斜向上。（2）v 与 B 夹角为 30，取 v 与 B 垂直分量，故 F=qvBsin30=12qvB，方向垂直纸面向里 高中物理 高中物理 （3）由于 v 与 B 平行，所以不受洛伦兹力 （4）v 与 B 垂直，故 F=qvB，方向与 v 垂直斜向上 【总结升华】在计算洛伦兹力的大小时，注意公式中的是 v

11、 与 B 的夹角洛伦兹力的方向既垂直于 v 又垂直于 B 举一反三【变式 1】下列图中，运动电荷的速度方向、磁感应强度方向和电荷的受力方向之间的关系正确的是()【答案】B【解析】根据左手定则，A 中 F 方向应向上，B 中 F 方向应向下，故 A 错、B 对。C、D 中都是 vB，F0，故 C、D 都错。【高清课程：磁场对运动电荷的作用 例题 2】【变式 2】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 【答案】A 类型四、洛伦兹力的特点 例 4、

12、如图所示，在竖直绝缘的平台上，一个带正电的小球以水平速度 v0抛出，落在地面上的 A 点，若加一垂直纸面向里的匀强磁场，则小球的落点()A仍在 A 点 B在 A 点左侧 C在 A 点右侧 D无法确定 高中物理 高中物理【答案】C【解析】洛伦兹力虽不做功，但可以改变小球的运动状态(改变速度的方向)，小球做曲线运动，在运动中任一位置受力如图所示：小球受到了斜向上的洛伦兹力的作用，小球在竖直方向的加速 aymgqvBcos mg，故小球平抛的时间将增加，落点应在 A 点的右侧。【总结升华】洛伦兹力永不做功，但影响物体的运动情况 举一反三【变式】以下说法正确的是（）A.带电粒子仅在磁场中运动时，它的动

13、能一定不变，动量可能不变 B.粒子仅受电场力作用时，动量一定改变，动能可能不变 C.在同一磁场中，如果将q 改为q,把速度方向反向而速度大小不变，则所受洛仑兹力大小、方向都不变 D.在洛仑兹力、磁感应强度、粒子速度这三个量中，已知任意两个量方向，就能判断第三个量的方向【答案】C 类型五、速度选择器问题分析 例 5、如图所示，在图中虚线所围的区域内，存在电场强度为 E 的匀强电场和磁感应强度为 B 的匀强磁场，已知从左方水平射入的电子，通过该区域时未发生偏转，假设电子重力可忽略不计，则在该区域中的 E 和 B 的方向可能是（）AE 竖直向上，B 垂直纸面向外 BE 竖直向上，B 垂直纸面向里 C

14、E 和 B 都沿水平方向，并与电子运动方向相同 DE 和 B 都沿水平方向，并与电子运动方向相反 【答案】ACD 【解析】如果 E 竖直向上，B 垂直纸面向外，电子沿图中方向射入后，电场力向下，洛伦兹力向上，二力可能平衡，电子可能沿直线通过 E、B 共存区域，故 A 对；同理 B 不对；如果 E、B 沿水平方向且与电子运动方向相同，电子不受洛伦兹力作用。但电子受到与 E 反方向的电场力作用，电子做匀减速直线运动，也不偏转，故 C 对；如果 E、B 沿水平方向，且与电子运动方向相反，电子仍不受洛伦兹力，电场力与 E 反向，即与速度同方同，故电子做匀加速直线运动，也不碥转，故 D 对 【总结升华】

15、解答此题不仅要想到速度选择器中电场力和洛伦兹力相平衡的情况，也要想到后两种情况中不受洛伦兹力只受电场力的匀加（减）速直线运动的情况 类型六、带电粒子在复合场中的直线运动 例 6、（2016 北京卷）如图所示，质量为 m，电荷量为 q 的带电粒子，以初速度 v 沿垂直磁场方向高中物理 高中物理 射入磁感应强度为 B 的匀强磁场，在磁场中做匀速圆周运动。不计带电粒子所受重力。（1）求粒子做匀速圆周运动的半径 R 和周期 T；（2）为使该粒子做匀速直线运动，还需要同时存在一个与磁场方向垂直的匀强电场，求电场强度 E的大小。【思路点拨】（1）粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，由牛顿第二定

16、律求出轨道半径，进而求出周期。（2）粒子在电磁场中做匀速直线运动，电场力和洛伦兹力二力平衡，根据平衡条件即可求出电场强度 E 的大小。【答案】（1）mvRBq、2 mTqB（2）EvB【解析】(1)由2vqvBmR.带电粒子做圆周运动半径mvRqB.匀速圆周运动的周期2 mTqB(2)粒子受电场力FqE,洛仑磁力fqvB，粒子做匀速直线运动，电场力和洛伦兹力平衡，则qEqvB,场强EvB 类型七、洛伦兹力作用下的临界（极值）问题分析 例 7、在相互垂直的匀强电场和匀强磁场中，有一倾角为、且足够长的光滑绝缘斜面，磁感应强度为 B，方向垂直纸面向外，电场方向竖直向上，有一质量为 m、带电荷量为+q

17、 的小球静止在斜面顶端，这时小球对斜面的压力恰好为零，如图所示若迅速把电场方向反转为竖直向下，小球能在斜面上连续滑行多远？所用时间是多少？高中物理 高中物理 【思路点拨】在分析物体受力的基础上，分清物理过程，本题中重力和电场力是恒力，而洛伦兹力是变力，且随速度的增大而增加 【答案】2222cossinm gq B cotmqB【解析】本题是带电粒子受洛伦兹力与力学知识的综合问题，在分析物体受力的基础上，分清物理过程，根据隐含的临界条件求解本题 电场反转前：mg=qE 电场反转后，小球先沿斜面向下做匀加速直线运动，到对斜面压力减为零时开始离开斜面，此时有：qvB=(mg+qE)cos 小球在斜面上滑行距离为：2122vsvta a=2gsin 联立得2222cossinm gsq B，所用时间为cotmtqB【总结升华】（1）本题中重力和电场力是恒力，而洛伦兹力是变力，且随速度的增大而增加受时分析时应注意区分三力产生与作用的不同，特别是电场力与洛伦兹力的不同 （2）洛伦兹力 F=qvB在磁场中，当带电体的速度 v 变化时，洛伦兹力 F 随之改变，这样，带电体在运动过程中的受力情况是动态变化的因此分析此类问题时应从受力分析入手，注意过程分析，便可找到临界（极值）状态，挖出隐含的临界（极值）条件，该类问题便可迎刃而解