2．磁場對運動電荷的作用力
【學(xué)習(xí)目標】1．通過實驗，觀察陰極射線在磁場中的偏轉(zhuǎn)，認識洛倫茲力。2．會判斷洛倫茲力的方向，會計算洛倫茲力的大小。3．了解電子束的磁偏轉(zhuǎn)原理以及在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用。
1．洛倫茲力__________在磁場中受到的力。2．洛倫茲力和安培力的關(guān)系通電導(dǎo)線在磁場中受到的安培力，實際上是__________的宏觀表現(xiàn)。
3．洛倫茲力的方向(1)左手定則：伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一個平面內(nèi)，讓________從掌心進入，并使四指指向________運動的方向，這時拇指所指的方向就是運動的正電荷在磁場中所受__________的方向。負電荷受力的方向與正電荷受力的方向______。(2)洛倫茲力方向特點：F⊥B，F(xiàn)⊥v，即F垂直于______所決定的平面。
4．洛倫茲力的大小當速度方向和磁感應(yīng)強度方向分別滿足以下幾種情況時，洛倫茲力的大小分別是(1)當v與B成θ角時：F＝___________。(2)當v⊥B時：F＝_____。(3)當v∥B時，F(xiàn)＝____。
1．電視機顯像管的構(gòu)造如圖所示，由電子槍、__________和熒光屏組成。2．原理電子顯像管應(yīng)用了電子束________的原理。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、強弱都在__________，使得電子束打在熒光屏上的光點不斷移動。電子束從最上一行到最下一行掃描一遍叫作一場，電視機每秒要進行_____場掃描。
『判一判』(1)電荷在磁場中一定會受到洛倫茲力的作用。(　　)(2)僅在洛倫茲力作用下，電荷的動能一定不會變化。(　　)(3)應(yīng)用左手定則判斷洛倫茲力的方向時，四指一定指向電荷運動方向。(　　)(4)電視顯像管是靠磁場使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)的。(　　)(5)電荷垂直磁場運動時所受洛倫茲力最小，平行磁場運動時所受洛倫茲力最大。(　　)
『選一選』(多選)下列說法正確的是(　　)解析：所有電荷在電場中都要受到電場力的作用，正電荷受力的方向沿電場強度的方向，故A錯，B對；運動電荷在磁場中沿平行于磁場的方向運動，不受磁場力的作用，C錯；靜止電荷在磁場中不受磁場力的作用，D對。
『想一想』目前，電視機已走進了家家戶戶，給人們的生活帶來了巨大的變化，足不出戶便可欣賞到千里之外奧運賽事的精彩直播！現(xiàn)在的電視輕便，占地空間小，但在液晶電視出現(xiàn)前，更多的家庭是用電子顯像電視(如圖)，這種電視機占地空間大，抗干擾能力差。這樣的電視機正在播放節(jié)目時，不能將磁鐵靠近熒光屏。你知道這是為什么嗎？解析：由于電視機的顯像管是利用磁場對電子束偏轉(zhuǎn)原理工作的，如果將磁鐵靠近熒光屏，會影響電子束的偏轉(zhuǎn)方向，進而使得圖像變形或變色。
太陽發(fā)射出的帶電粒子以300～1 000 km/s的速度掃過太陽系，形成“太陽風(fēng)”(如圖所示)，這種巨大的輻射經(jīng)過地球時，為什么不能直射向地球？提示：因為地球周圍存在著磁場，宇宙空間的帶電粒子在經(jīng)過地球磁場時，由于受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，故不能直射向地球。
1．決定洛倫茲力方向的三個因素電荷的電性(正、負)，速度方向、磁感應(yīng)強度的方向。當電性一定時，其他兩個因素決定洛倫茲力的方向，如果只讓一個因素相反，則洛倫茲力方向必定相反；如果同時讓兩個因素相反，則洛倫茲力方向?qū)⒉蛔儭?br/>2．F、B、v三者方向間的關(guān)系電荷運動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。電荷運動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。洛倫茲力與粒子運動方向、磁感應(yīng)強度方向的關(guān)系
3．洛倫茲力的特點洛倫茲力的方向隨電荷運動方向的變化而變化。但無論怎樣變化，洛倫茲力都與運動方向垂直，故洛倫茲力永不做功，它只改變電荷運動方向，不改變電荷速度大小。
(1)判斷負電荷在磁場中運動受洛倫茲力的方向，四指要指向負電荷運動的相反方向，也就是電流的方向。(2)電荷運動的方向和磁場方向不一定垂直，但洛倫茲力的方向一定垂直于磁場方向和速度方向。
如圖所示，在真空中，水平導(dǎo)線中有恒定電流I通過，導(dǎo)線的正下方有一質(zhì)子初速度方向與電流方向相同，則質(zhì)子可能的運動情況是 (　　)A．沿路徑a運動B．沿路徑b運動C．沿路徑c運動D．沿路徑d運動
解析：由安培定則，電流在下方產(chǎn)生的磁場方向指向紙外，由左手定則，質(zhì)子剛進入磁場時所受洛倫茲力方向向上。則質(zhì)子的軌跡必定向上彎曲，因此C、D必錯；由于洛倫茲力方向始終與電荷運動方向垂直，故其運動軌跡必定是曲線，則B正確，A錯誤。故選B。
1．(2020·陜西省西安中學(xué)高二上學(xué)期期末)下面四幅圖表示了磁感應(yīng)強度B、電荷速度v和洛倫茲力F三者方向之間的關(guān)系，其中正確的是(　　)解析：根據(jù)左手定則，A中F方向應(yīng)向下，B中F方向應(yīng)向上，故A錯、B對；C中F應(yīng)垂直紙面向外，故C錯。D中v∥B，F(xiàn)＝0，故D錯。
如圖所示，磁場的磁感應(yīng)強度為B。設(shè)磁場中有一段通電導(dǎo)線，橫截面積為S，單位體積中含有的自由電荷數(shù)為n，每個自由電荷的電荷量為q且定向運動的速率都是v。
(1)圖中一段長度為vt的導(dǎo)線中的粒子數(shù)是多少？導(dǎo)線中的電流為多大？(2)圖中一段長度為vt的導(dǎo)線在磁場中所受安培力多大？(3)每個自由電荷所受洛倫茲力多大？
1．對公式F洛＝qvB的理解(1)適用條件：運動電荷的速度方向與磁場方向垂直，當v＝0時，F(xiàn)洛＝0，即相對磁場靜止的電荷不受洛倫茲力作用。(2)B、v夾角對洛倫茲力的影響：①當θ＝90°時，v⊥B，sin θ＝1，F(xiàn)洛＝qvB，即運動方向與磁場垂直時，洛倫茲力最大；②當v∥B時，θ＝0°，sin θ＝0，F(xiàn)洛＝0，即運動方向與磁場平行時，不受洛倫茲力；③若不垂直，F(xiàn)洛＝qvBsin θ。
2．洛倫茲力和安培力的區(qū)別與聯(lián)系
3.洛倫茲力與電場力的比較
盡管安培力是自由電荷定向移動時受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，但也不能簡單地認為安培力就等于所有定向移動電荷所受洛倫茲力的和，一般只有當導(dǎo)體靜止時才能這樣認為。
在下圖所示的各圖中，勻強磁場的磁感應(yīng)強度均為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和方向。思路引導(dǎo)：應(yīng)用左手定則判斷洛倫茲力的方向，根據(jù)公式F＝qvB求洛倫茲力的大小。在計算洛倫茲力的大小時，要注意v應(yīng)取與B垂直的分量。
2. (2021·湖北省黃岡市高三模擬)如圖所示，甲帶正電，乙是不帶電的絕緣塊，甲、乙疊放在一起置于光滑的水平地面上，空間存在著水平方向的勻強磁場，在水平恒力F的作用下，甲、乙無相對滑動地一起向左加速運動，在加速運動階段(　　)A．甲、乙兩物塊間的摩擦力不斷增大B．甲、乙兩物塊間的摩擦力不斷減小C．甲、乙向左運動的加速度不變D．乙物體對地面的壓力不變
解析：甲、乙兩物塊間沒有相對滑動，是靜摩擦力，由于乙與地面之間沒有摩擦力，根據(jù)牛頓第二定律，F(xiàn)＝ma，整體的加速度不變，對甲受力分析，靜摩擦力作為合力產(chǎn)生加速度，由于整體的加速度不變，所以甲、乙兩物塊間的摩擦力不變，所以A錯誤，B錯誤，C正確；甲帶正電，在向左運動的過程中，受到的洛倫茲力的方向向下，因為運動的速度增大，洛倫茲力增大，所以甲對乙的壓力變大，則乙物體對地面的壓力也會變大，故D錯誤。
2．磁流體發(fā)電機(1)磁流體發(fā)電是一項新興技術(shù)，它可以把內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能。(2)根據(jù)左手定則，如右圖中的B板是發(fā)電機正極。(3)磁流體發(fā)電機兩極板間的距離為d，等粒子體速度為v，磁場磁感應(yīng)強度為B，則兩極板間能達到的最大電勢差U＝Bdv。
如圖所示，磁流體發(fā)電機的極板相距 d＝0.2 m，極板間有垂直于紙面向里的勻強磁場，B＝1.0 T。外電路中可變負載電阻R用導(dǎo)線與極板相連。電離氣體以速率v＝1 100 m/s沿極板射入，極板間電離氣體等效內(nèi)阻r＝0.1 Ω，試求此發(fā)電機的最大輸出功率為多大？
1．(2020·遼寧省盤錦市高二上學(xué)期期末)示波管中，電子束的偏轉(zhuǎn)既可用電偏轉(zhuǎn)也可用磁偏轉(zhuǎn)技術(shù)實現(xiàn)。電子束經(jīng)過電壓為U的電場加速后，進入勻強電場或勻強磁場區(qū)，如圖所示(虛線框內(nèi)為電場或磁場區(qū))。當不加電場或磁場時，電子束將打到屏幕的中心M點。為了讓電子束射到M點正上方的P點，所加的偏轉(zhuǎn)電場或磁場方向可能是(　　)A．豎直向上的電場B．豎直向下的電場C．豎直向上的磁場D．豎直向下的磁場
解析：電子經(jīng)電子槍加速獲得一定的速度進入虛線區(qū)域，要使電子向P點偏轉(zhuǎn)，若加電場，則要求電子受力向上，但電子所受電場力方向與電場強度方向相反，所以所加電場應(yīng)豎直向下，所以選項A錯誤，選項B正確；若加磁場，要使電子向上偏轉(zhuǎn)，根據(jù)左手定則，當電子向上偏轉(zhuǎn)時，則磁感線穿過手心，那么磁場應(yīng)垂直紙面向外，所以選項C、D錯誤。
2．(多選)(2020·吉林省四平市實驗中學(xué)高二上學(xué)期期末)在如圖所示的勻強電場和勻強磁場共存的區(qū)域內(nèi)(不計重力)，電子可能沿水平方向向右做直線運動的是(　　)
解析：如電子水平向右運動，在A圖中電場力水平向左，洛倫茲力豎直向下，故不可能；在B圖中，電場力水平向左，洛倫茲力為零，故電子可能水平向右做勻減速直線運動；在C圖中電場力豎直向上，洛倫茲力豎直向下，電子向右可能做勻速直線運動，故C正確；在D圖中電場力豎直向上，洛倫茲力豎直向上，故電子不可能做水平向右的直線運動，因此只有選項B正確。
3．(多選)(2021·四川省樂山高二調(diào)研)用細線和帶電小球做成的擺，把它放置在某勻強磁場中，如圖所示，在帶電小球擺動的過程中，連續(xù)兩次經(jīng)過最低點時，相同的物理量是(不計空氣阻力)(　　)A．小球受到的洛倫茲力B．擺線的張力C．小球的向心加速度D．小球的動能
4. (2020·山東省威海三中高二月考)如圖所示，質(zhì)量為m的帶正電的小球能沿豎直的絕緣墻豎直下滑，磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場方向如圖所示，并與小球運動方向垂直。若小球帶電荷量為q，小球與墻間的動摩擦因數(shù)為μ，求：小球下滑的最大速度和最大加速度。

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