高中物理人教版 (新課標(biāo))選修3選修3-1第三章磁場5 電荷在磁場中受到的力學(xué)案設(shè)計(jì)-學(xué)案下載-教習(xí)網(wǎng)

5　運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中受到的力學(xué) 習(xí) 目標(biāo)知識(shí) 脈絡(luò)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)) 洛倫茲力的方向和大小1．洛倫茲力(1)定義：運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中所受的力．(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)電荷所受洛倫茲力的宏觀表現(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⊥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＝0.1．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．(√)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．如圖3-5-1所示，正電荷q以速度v進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中，速度與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向間的夾角為θ.圖3-5-1探討1：電荷q所受的洛倫茲力的方向沿什么方向？【提示】　垂直于紙面向里．探討2：電荷q所受的洛倫茲力是多大？【提示】　qvBsin θ.1．對(duì)洛倫茲力方向的理解(1)洛倫茲力的方向總是與電荷運(yùn)動(dòng)方向和磁場方向垂直，即洛倫茲力的方向總是垂直于電荷運(yùn)動(dòng)方向和磁場方向所決定的平面，F、B、v三者的方向關(guān)系是：F⊥B、F⊥v，但B與v不一定垂直．(2)洛倫茲力的方向隨電荷運(yùn)動(dòng)方向的變化而變化．但無論怎么變化，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．2．洛倫茲力與安培力的關(guān)系：安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，洛倫茲力是安培力的微觀實(shí)質(zhì)．(1)方向：洛倫茲力的方向與運(yùn)動(dòng)電荷形成的等效電流的安培力方向相同．(2)大小：一段通電導(dǎo)線所受安培力大小等于該段導(dǎo)線內(nèi)所有運(yùn)動(dòng)電荷所受洛倫茲力的矢量和．3．推導(dǎo)洛倫茲力公式：設(shè)有一段長為L，橫截面積為S的直導(dǎo)線，單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n，每個(gè)自由電荷的電荷量為q，自由電荷定向移動(dòng)的速率為v.這段通電導(dǎo)線垂直磁場方向放入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中．圖3-5-2(1)根據(jù)電流的定義式可知通電導(dǎo)線中的電流I＝＝＝nqSv.(2)通電導(dǎo)線所受的安培力F安＝BIL＝B(nqSv)L.(3)這段導(dǎo)線內(nèi)的自由電荷數(shù)N＝nSL.(4)每個(gè)電荷所受的洛倫茲力F洛＝＝＝qvB.4．對(duì)公式的理解(1)適用條件：運(yùn)動(dòng)電荷的速度方向與磁場方向垂直，當(dāng)v＝0時(shí)，F洛＝0，即相對(duì)磁場靜止的電荷不受洛倫茲力作用．(2)B、v夾角對(duì)洛倫茲力的影響：①當(dāng)θ＝90°時(shí)，v⊥B，sin θ＝1，F洛＝qvB，即運(yùn)動(dòng)方向與磁場垂直時(shí)，洛倫茲力最大．②當(dāng)v∥B時(shí)，θ＝0°，sin θ＝0，F洛＝0，即運(yùn)動(dòng)方向與磁場平行時(shí)，不受洛倫茲力．③若不垂直，F洛＝qvBsin θ.5．洛倫茲力與電場力的比較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1．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3-5-3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(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：34522040】圖3-5-3A．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】　D2．在圖3-5-4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．圖3-5-4【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＝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＝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向左上方有關(guān)洛倫茲力的兩點(diǎn)注意：(1)用左手定則判斷洛倫茲力方向時(shí)，要特別注意運(yùn)動(dòng)電荷的正負(fù)，四指應(yīng)指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向，指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向．(2)計(jì)算洛倫茲力的大小時(shí)，應(yīng)注意弄清v與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向關(guān)系．當(dāng)v⊥B時(shí)，洛倫茲力F＝qvB，當(dāng)v∥B時(shí)，F＝0，當(dāng)v與B成θ角(0<θ<90°)時(shí)，應(yīng)將v(或B)進(jìn)行分解取它們垂直的分量計(jì)算．電視顯像管的工作原理1．構(gòu)造：如圖3-5-5所示，由電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈和熒光屏組成．圖3-5-52．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．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．(√)3．在偏轉(zhuǎn)區(qū)豎直方向的偏轉(zhuǎn)磁場使電子束發(fā)生水平方向的移動(dòng)．(√)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．如圖3-5-6所示，是一橫截面邊長為a的正方形的金屬導(dǎo)體．勻強(qiáng)磁場B沿x軸正方向．設(shè)自由電子定向移動(dòng)速度為v.圖3-5-6探討1：金屬導(dǎo)體上、下兩個(gè)側(cè)面，哪個(gè)側(cè)面的電勢較高？【提示】　上側(cè)面．探討2：導(dǎo)體上、下兩個(gè)側(cè)面的電勢差是多大？【提示】　Bva.1．速度選擇器圖3-5-7如圖3-5-7所示，D1和D2是兩個(gè)平行金屬板，分別連在電源的兩極上，其間有一電場強(qiáng)度為E的電場，同時(shí)在此空間加有垂直于電場方向的磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.S1、S2為兩個(gè)小孔，且S1與S2連線方向與金屬板平行．速度沿S1、S2連線方向從S1飛入的帶電粒子只有做直線運(yùn)動(dòng)才可以從S2飛出．因此能從S2飛出的帶電粒子所受的電場力與洛倫茲力平衡，即qE＝qvB.故只要帶電粒子的速度滿足v＝，即使電性不同，比荷不同，也可沿直線穿出右側(cè)的小孔S2，而其他速度的粒子要么上偏，要么下偏，無法穿出S2.因此利用這個(gè)裝置可以達(dá)到選擇某一速度帶電粒子的目的，故稱為速度選擇器．2．磁流體發(fā)電機(jī)如圖3-5-8所示，將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和帶負(fù)電的微粒，從整體上來說是呈電中性)噴射入磁場，磁場中有兩塊金屬板A、B，則高速射入的離子在洛倫茲力的作用下向A、B兩板聚集，使兩板間產(chǎn)生電勢差，若平行金屬板間距為d，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，等離子體流速為v，氣體從一側(cè)面垂直磁場射入板間，不計(jì)氣體電阻，外電路電阻為R，則兩板間可能達(dá)到的最大電壓和最大電流為多少？圖3-5-8如圖3-5-9所示，運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中受洛倫茲力作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，正、負(fù)離子分別到達(dá)B、A極板(B為電源正極，故電流方向從b到a)，使A、B板間產(chǎn)生勻強(qiáng)電場，在電場力的作用下偏轉(zhuǎn)逐漸減弱，當(dāng)?shù)入x子體不發(fā)生偏轉(zhuǎn)即勻速穿過時(shí)，有qvB＝qE，所以此時(shí)兩極板間電勢差U＝Ed＝Bdv，據(jù)閉合電路歐姆定律可得電流大小I＝.圖3-5-93．霍爾效應(yīng)如圖3-5-10所示，厚度為h，寬度為d的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中．當(dāng)電流按如圖方向通過導(dǎo)體板時(shí)，在導(dǎo)體板的上側(cè)面A和下側(cè)面A′之間會(huì)產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)．實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)磁場不太強(qiáng)時(shí)，電勢差U、電流I和B的關(guān)系為U＝k，式中的比例系數(shù)k稱為霍爾系數(shù)．圖3-5-10霍爾效應(yīng)可解釋如下：外部磁場的洛倫茲力使運(yùn)動(dòng)的電子聚集在導(dǎo)體板的一側(cè)，在導(dǎo)體板的另一側(cè)會(huì)出現(xiàn)多余的正電荷，從而形成橫向電場．橫向電場對(duì)電子施加與洛倫茲力方向相反的靜電場力．當(dāng)靜電場力與洛倫茲力達(dá)到平衡時(shí)，導(dǎo)體板上下兩側(cè)面之間就會(huì)形成穩(wěn)定的電勢差．由U＝k可得B＝，這也是一種測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方法．4．電磁流量計(jì)(1)原理如圖3-5-11所示是電磁流量計(jì)的示意圖，在非磁性材料做成的圓管道外加一勻強(qiáng)磁場區(qū)域，當(dāng)管中的導(dǎo)電液體流過此磁場區(qū)域時(shí)，測出管壁上a、b兩點(diǎn)間的電勢差U，就可以知道管中液體的流量Q(m3/s)——單位時(shí)間內(nèi)流過液體的體積．圖3-5-11(2)流量的計(jì)算電荷隨液體流動(dòng)，受到豎直方向的洛倫茲力，使正負(fù)電荷在上下兩側(cè)聚集，形成電場．當(dāng)電場力與洛倫茲力平衡時(shí)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)q＝qvB得v＝，液體流量Q＝v＝.3．顯像管原理的示意圖如圖3-5-12所示，當(dāng)沒有磁場時(shí)，電子束將打在熒光屏正中的O點(diǎn)，安裝在管徑上的偏轉(zhuǎn)線圈可以產(chǎn)生磁場，使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)．設(shè)垂直紙面向里的磁場方向?yàn)檎较?，若使電子打在熒光屏上的位置?/span>a點(diǎn)逐漸移動(dòng)到b點(diǎn)，下列變化的磁場能夠使電子發(fā)生上述偏轉(zhuǎn)的是(　　)圖3-5-12【解析】　電子偏轉(zhuǎn)到a點(diǎn)時(shí)，根據(jù)左手定則可知，磁場方向垂直紙面向外，對(duì)應(yīng)的B－t圖的圖線應(yīng)在t軸下方；電子偏轉(zhuǎn)到b點(diǎn)時(shí)，根據(jù)左手定則可知，磁場方向垂直紙面向里，對(duì)應(yīng)的B-t圖的圖線應(yīng)在t軸上方，A正確．【答案】　A4．(多選)不計(jì)重力的負(fù)粒子能夠在如圖3-5-13所示的正交勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場中勻速直線穿過．設(shè)產(chǎn)生勻強(qiáng)電場的兩極板間電壓為U，距離為d，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，粒子帶電荷量為q，進(jìn)入速度為v，以下說法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：34522041】圖3-5-13A．若同時(shí)增大U和B，其他條件不變，則粒子一定能夠沿直線穿過B．若同時(shí)減小d和增大v，其他條件不變，則粒子可能沿直線穿過C．若粒子向下偏，且能夠飛出極板間，則粒子動(dòng)能一定減小D．若粒子向下偏，且能夠飛出極板間，則粒子的動(dòng)能有可能不變【解析】　粒子能夠直線穿過，則有q＝qvB，即v＝，若U、B增大的倍數(shù)不同，粒子不能沿直線穿過，A錯(cuò)誤；同理若d減小幾倍，v增大幾倍，粒子仍能沿直線穿過，B正確；粒子向下偏，電場力做負(fù)功，又W洛＝0，所以ΔEk<0，C項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)誤．【答案】　BC帶電粒子做勻速直線運(yùn)動(dòng)的分析技巧1．電場和磁場的方向互相垂直．2．分析

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