eq \(\s\up7(),\s\d5(整體設(shè)計(jì)))


教學(xué)目標(biāo)


1．知識(shí)與技能


(1)知道什么是洛倫茲力。利用左手定則判斷洛倫茲力的方向。


(2)知道洛倫茲力大小的推理過(guò)程。


(3)掌握垂直進(jìn)入磁場(chǎng)方向的帶電粒子，受到洛倫茲力大小的計(jì)算。


(4)了解v和B垂直時(shí)的洛倫茲力大小及方向判斷。理解洛倫茲力對(duì)電荷不做功。


(5)了解電視顯像管的工作原理。


2．過(guò)程與方法


通過(guò)觀察，形成洛倫茲力的概念，同時(shí)明確洛倫茲力與安培力的關(guān)系(微觀與宏觀)，洛倫茲力的方向也可以用左手定則判斷。通過(guò)思考與討論，推導(dǎo)出洛倫茲力的大小公式F＝qvBsinθ。最后了解洛倫茲力的一個(gè)應(yīng)用——電視顯像管中的磁偏轉(zhuǎn)。


3．情感態(tài)度與價(jià)值觀


引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)會(huì)觀察、分析、推理，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和研究方法。讓學(xué)生認(rèn)真體會(huì)科學(xué)研究最基本的思維方法：“推理—假設(shè)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”。


教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)


重點(diǎn)：1.利用左手定則會(huì)判斷洛倫茲力的方向。洛倫茲力大小計(jì)算公式的推導(dǎo)和應(yīng)用。


2．掌握垂直進(jìn)入磁場(chǎng)方向的帶電粒子，受到洛倫茲力大小的計(jì)算。


這一節(jié)承上(安培力)啟下(帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng))，是本章的重點(diǎn)。


難點(diǎn)：1.洛倫茲力對(duì)帶電粒子不做功。


2．洛倫茲力方向的判斷。洛倫茲力計(jì)算公式的推導(dǎo)。


教學(xué)用具


電子射線管、高壓電源、磁鐵、多媒體。


eq \(\s\up7(),\s\d5(教學(xué)過(guò)程))


導(dǎo)入新課


前面我們學(xué)習(xí)了磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力，下面思考兩個(gè)問(wèn)題：


1．如圖判定安培力的方向(讓學(xué)生上黑板做)





若已知上圖中：B＝4.0×10－2 T，導(dǎo)線長(zhǎng)L＝10 cm，I＝1 A。求：導(dǎo)線所受的安培力大??？


[學(xué)生解答]


解：F＝BIL＝4×10－2 T×1 A×0.1 m＝4×10－3 N


答：導(dǎo)線受的安培力大小為4×10－3 N。


2．什么是電流？


[學(xué)生答]電荷的定向移動(dòng)形成電流。


[教師講述]磁場(chǎng)對(duì)電流有力的作用，電流是由電荷的定向移動(dòng)形成的，我們會(huì)想到：這個(gè)力可能是作用在運(yùn)動(dòng)電荷上的，而安培力是作用在運(yùn)動(dòng)電荷上的力的宏觀表現(xiàn)。


[演示實(shí)驗(yàn)]觀察磁場(chǎng)陰極射線在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)(95頁(yè)圖3.51)


[教師]說(shuō)明電子射線管的原理：


說(shuō)明陰極射線是燈絲加熱放出電子，電子在加速電場(chǎng)的作用下高速運(yùn)動(dòng)而形成的電子流，轟擊到長(zhǎng)條形的熒光屏上激發(fā)出熒光，可以顯示電子束的運(yùn)動(dòng)軌跡，磁鐵是用來(lái)在陰極射線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)的，還應(yīng)明確磁場(chǎng)的方向。


[實(shí)驗(yàn)結(jié)果]在沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí)，電子束沿直線運(yùn)動(dòng)，蹄形磁鐵靠近電子射線管，發(fā)現(xiàn)電子束運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了彎曲。學(xué)生用左手定則判斷電子束彎曲方向。


[學(xué)生分析得出結(jié)論]磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有作用力


推進(jìn)新課


1．洛倫茲力的方向和大小


(1)洛倫茲力的定義：運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的作用力。


通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。


【說(shuō)明】 可以根據(jù)磁場(chǎng)對(duì)電流有作用力而對(duì)未通電的導(dǎo)線沒(méi)有作用力，引導(dǎo)學(xué)生提出猜想：磁場(chǎng)對(duì)電流作用力的實(shí)質(zhì)是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力。


[過(guò)渡語(yǔ)]運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用，那么洛倫茲力的方向如何判斷呢？


[問(wèn)題]如圖





(2)洛倫茲力的方向


①判定安培力方向。(上圖甲中安培力方向?yàn)榇怪彪娏鞣较蛳蛏?，乙圖安培力方向?yàn)榇怪彪娏鞣较蛳蛳?


②電流方向和電荷運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系。(電流方向與正電荷運(yùn)動(dòng)方向相同，與負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)方向相反)


③F安的方向和洛倫茲力方向的關(guān)系。(F安的方向與正電荷所受的洛倫茲力的方向相同，與負(fù)電荷所受的洛倫茲力的方向相反。)


④電荷運(yùn)動(dòng)方向、磁場(chǎng)方向、洛倫茲力方向的關(guān)系。(學(xué)生分析總結(jié))


⑤洛倫茲力方向的判斷——左手定則


伸開(kāi)左手，使大拇指與其余四指垂直且處于同一平面內(nèi)，把手放入磁場(chǎng)中，讓磁感線垂直穿入手心，若四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向，那么拇指所受的方向就是正電荷所受洛倫茲力的方向；若四指指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向，那么拇指所指的方向就是負(fù)電荷所受洛倫茲力的方向。


【要使學(xué)生明確】 正電荷運(yùn)動(dòng)方向應(yīng)與左手四指指向一致，負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)方向則應(yīng)與左手四指指向相反(先確定負(fù)電荷形成電流的方向，再用左手定則判定)。


eq \b\lc\ \rc\ (\a\vs4\al\c1(課堂練習(xí)))


①[投影出示練習(xí)題]——“問(wèn)題與練習(xí)”1


②試判斷下圖中所示的帶電粒子剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)所受的洛倫茲力的方向。





[學(xué)生解答]


甲中正電荷所受的洛倫茲力方向向上。


乙中正電荷所受的洛倫茲力方向向下。


丙中正電荷所受的洛倫茲力方向垂直于紙面指向讀者。


丁中正電荷所受的洛倫茲力的方向垂直于紙面指向紙里。


討論B、v、F三者方向間的相互關(guān)系。如圖所示。





甲 v與B垂直 乙 v與B不垂直


洛倫茲力與粒子運(yùn)動(dòng)方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的關(guān)系


學(xué)生：F總垂直于B與v所在的平面。B與v可以垂直，可以不垂直。


(3)洛倫茲力的大小


現(xiàn)在我們來(lái)研究一下洛倫茲力的大小。通過(guò)“思考與討論”，來(lái)推導(dǎo)公式F＝qvBsinθ時(shí)，應(yīng)先建立物理模型(教材圖3.5－3)，再循序漸進(jìn)有條理地推導(dǎo)，這一個(gè)過(guò)程可放手讓學(xué)生完成，體現(xiàn)學(xué)習(xí)的自主性。


也可以通過(guò)下面的命題引導(dǎo)學(xué)生一一回答。


設(shè)有一段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的通電導(dǎo)線，橫截面積為S，導(dǎo)線每單位體積中含有的自由電荷數(shù)為n，每個(gè)自由電荷的電量為q，定向移動(dòng)的平均速率為v，將這段導(dǎo)線垂直于磁場(chǎng)方向放入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中。


[問(wèn)題]這段導(dǎo)線中電流I的微觀表達(dá)式是怎樣的？讓學(xué)生推導(dǎo)后回答。


[學(xué)生答]I的微觀表達(dá)式為I＝nqSv


[問(wèn)題]這段導(dǎo)體所受的安培力為多大？[學(xué)生答]F安＝BIL


[問(wèn)題]這段導(dǎo)體中含有多少自由電荷數(shù)？


[學(xué)生答]這段導(dǎo)體中含有的電荷數(shù)為nLS。


[問(wèn)題]每個(gè)自由電荷所受的洛倫茲力大小為多大？


[學(xué)生答]安培力可以看作是作用在每個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷上的洛倫茲力F的合力，這段導(dǎo)體中含有的自由電荷數(shù)為nLS，所以F＝F安/nLS＝BIL/nLS＝nqvSLB/nLS＝qvB。


[問(wèn)題]當(dāng)運(yùn)動(dòng)電荷的速度v方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向不垂直時(shí)，設(shè)夾角為θ，則電荷所受的洛倫茲力大小為多大？


(4)洛倫茲力的計(jì)算公式


①當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直時(shí)(v⊥B) F＝qvB


②當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向成θ時(shí) F＝qvBsinθ


上兩式各量的單位：


F為牛(N)，q為庫(kù)倫(C)，v為米/秒(m/s)，B為特斯拉(T)


最后，通過(guò)“思考與討論”，說(shuō)明由洛倫茲力所引起的帶電粒子運(yùn)動(dòng)的方向總是與洛倫茲力的方向相垂直的，所以它對(duì)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子總是不做功的。


eq \b\lc\ \rc\ (\a\vs4\al\c1(課堂練習(xí)))


1．電子的速率v＝3×106 m/s，垂直射入B＝0.10 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，它受到的洛倫茲力是多大？


分析求解：F＝qvB＝1.60×10－19×3×106×0.10＝4.8×10－14 N


2．來(lái)自宇宙的質(zhì)子流，以與地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一點(diǎn)，則這些質(zhì)子在進(jìn)入地球周圍的空間時(shí)，將______


A．豎直向下沿直線射向地面


B．相對(duì)于預(yù)定地面向東偏轉(zhuǎn)


C．相對(duì)于預(yù)定點(diǎn)稍向西偏轉(zhuǎn)


D．相對(duì)于預(yù)定點(diǎn)稍向北偏轉(zhuǎn)


分析解答：B。地球表面地磁場(chǎng)方向由南向北，質(zhì)子是氫原子核帶正電，根據(jù)左手定則可判定，質(zhì)子自赤道上空豎直下落過(guò)程中受洛倫茲力方向向東。


2．電視機(jī)顯像管的工作原理


教師：引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材相關(guān)內(nèi)容，思考并回答問(wèn)題。電子束是怎樣實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)的？


如圖所示：





顯像管原理示意圖(俯視圖)


問(wèn)題1：要使電子打在A點(diǎn)，偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)應(yīng)該沿什么方向？


問(wèn)題2：要使電子打在B點(diǎn)，偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)應(yīng)該沿什么方向？


問(wèn)題3：要使電子打在熒火屏的位置從A點(diǎn)向B點(diǎn)逐漸移動(dòng)，偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)應(yīng)該怎樣變化？


答：1.要使電子打在A點(diǎn)，偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)應(yīng)該垂直紙面向外。2.要使電子打在B點(diǎn)，偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)應(yīng)該垂直紙面向里。3.要使電子打在熒光屏的位置從A點(diǎn)向B點(diǎn)逐漸移動(dòng)，偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)應(yīng)該先垂直紙面向外并逐漸減小，然后垂直紙面向里并逐漸增大。


電子打在熒光屏上只能有一個(gè)亮點(diǎn)，為什么整個(gè)熒光屏都能發(fā)光？學(xué)生閱讀教材，進(jìn)一步了解顯像管的工作過(guò)程。


最后讓學(xué)生回憶“示波管的原理”，通過(guò)對(duì)比比較二者的差異。


3．實(shí)例探究


洛倫茲力的方向


例1關(guān)于帶電粒子所受洛倫茲力F和磁感應(yīng)強(qiáng)度B及粒子速度v三者之間的關(guān)系，下列說(shuō)法中正確的是( )


A．F、B、v三者必定均保持垂直


B．F必定垂直于B、v，但B不一定垂直于v


C．B必定垂直于F、v，但F不一定垂直于v


D．v必定垂直于F、B，但F不一定垂直于B


解析：根據(jù)左手定則，洛倫茲力垂直于B，也垂直于v，垂直于B與v所決定的平面，但B與v不一定垂直。


答案：B


例2如圖所示的是磁感應(yīng)強(qiáng)度B、正電荷速度v和磁場(chǎng)對(duì)電荷的作用力F三者方向的相互關(guān)系圖(其中B垂直于F與v決定的平面，B、F、v兩兩垂直)。其中正確的是 ( )





答案：D


洛倫茲力的大小


例3如圖所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向水平向里，勻強(qiáng)電場(chǎng)方向豎直向下，有一正離子恰能沿直線從左向右水平飛越此區(qū)域。則( )





A．若電子從右向左飛入，電子也沿直線運(yùn)動(dòng)


B．若電子從右向左飛入，電子將向上偏轉(zhuǎn)


C．若電子從右向左飛入，電子將向下偏轉(zhuǎn)


D．若電子從左向右飛入，電子也沿直線運(yùn)動(dòng)


解析：若電子從右向左飛入，電場(chǎng)力向上，洛倫茲力也向上，所以上偏，B正確。若電子從左向右飛入，電場(chǎng)力向上，洛倫茲力向下。由題意，對(duì)正電荷qE＝Bqv，與q無(wú)關(guān)，所以對(duì)電子二者也相等，所以電子從左向右飛，做勻速直線運(yùn)動(dòng)。


答案：BD


例4一個(gè)長(zhǎng)螺線管中通有電流，把一個(gè)帶電粒子沿中軸線方向射入(若不計(jì)重力影響)，粒子將在管中( )


A．做圓周運(yùn)動(dòng)


B．沿軸線來(lái)回運(yùn)動(dòng)


C．做勻加速直線運(yùn)動(dòng)


D．做勻速直線運(yùn)動(dòng)


解析：通電長(zhǎng)螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)方向始終與中軸線平行，帶電粒子沿磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，不受洛倫茲力，所以一直保持原運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，正確答案是D。


答案：D


4．對(duì)本節(jié)內(nèi)容作簡(jiǎn)要小結(jié)：學(xué)生先自我小結(jié)，分組展示相互補(bǔ)充，教師點(diǎn)評(píng)歸納。


5．布置作業(yè)：課本“問(wèn)題與練習(xí)”3、4、5題。


eq \(\s\up7(),\s\d5(備課資料))


磁流體發(fā)電機(jī)


磁流體發(fā)電機(jī)，又叫等離子發(fā)電機(jī)，是根據(jù)霍爾效應(yīng)，用導(dǎo)電流體與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)電的一種設(shè)備。








磁流體發(fā)電，是將帶電的流體(離子氣體或液體)以極高的速度噴射到磁場(chǎng)中去，利用磁場(chǎng)對(duì)帶電的流體產(chǎn)生的作用，從而發(fā)出電來(lái)。


最簡(jiǎn)單的開(kāi)式磁流體發(fā)電機(jī)由燃燒室、發(fā)電通道和磁體組成。工作過(guò)程是在化石燃料燃燒后產(chǎn)生的高溫氣體中，加入易電離的鉀鹽或鈉鹽，使起部分電離后，經(jīng)噴管加速產(chǎn)生高達(dá)攝氏3 000度、速度達(dá)到1 000米/秒的高溫高速導(dǎo)電氣體，最后產(chǎn)生電流。


磁流體發(fā)電中的帶電流體，它們是通過(guò)加熱燃料、惰性氣體、堿金屬蒸氣而得到的。在幾千攝氏度的高溫下，這些物質(zhì)中的原子和電子的運(yùn)動(dòng)都很劇烈，有些電子甚至可以脫離原子核的束縛，結(jié)果，這些物質(zhì)變成自由電子、失去電子的離子以及原子核的混合物，這就是等離子體。將等離子體以超音速的速度噴射到一個(gè)加有強(qiáng)磁場(chǎng)的管道里面，等離子體中帶有正、負(fù)電荷的高速粒子，在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用，分別向兩極偏移，于是在兩極之間產(chǎn)生電壓，用導(dǎo)線將電壓接入電路中就可以使用了。


磁流體發(fā)電的另一個(gè)好處是產(chǎn)生的環(huán)境污染少。利用火力發(fā)電，燃燒燃料產(chǎn)生的廢氣里含有大量的二氧化硫，這是造成空氣污染的一個(gè)重要原因。利用磁流體發(fā)電，不僅使燃料在高溫下燃燒得更加充分，它使用的一些添加材料還可以和硫化合，生成硫酸鉀，并被回收利用，這就避免了直接把硫排放到空氣中，對(duì)環(huán)境造成污染。


利用磁流體發(fā)電，只要加快帶電流體的噴射速度，增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，就能提高發(fā)電機(jī)的功率。人們使用高能量的燃料，再配上快速啟動(dòng)裝置，就可以使發(fā)電機(jī)功率達(dá)到1 000萬(wàn)kW，這就滿足了一些需要大功率電力的場(chǎng)合。目前，中國(guó)、美國(guó)、印度、澳大利亞以及歐洲共同體等，都積極致力于這方面的研究。


磁流體發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，輸出電功率的原理如上圖。


1959年，美國(guó)阿夫柯公司建造了第一臺(tái)磁流體發(fā)電機(jī)，功率為115 kW。此后各國(guó)均有研究制造，美蘇聯(lián)合研制的磁流體發(fā)電機(jī)U25B在1978年8月進(jìn)行了第四次試驗(yàn)，氣體－等離子體流量為2～4 kg/s，溫度為2 950 K，磁場(chǎng)為5 T，輸出功率1 300 kW，共運(yùn)行了50小時(shí)。目前許多國(guó)家正在研制百萬(wàn)千瓦的利用超導(dǎo)磁體的磁流體發(fā)電機(jī)。


現(xiàn)在磁流體發(fā)電機(jī)制造中的主要問(wèn)題是發(fā)電通道效率低，目前只有10%。通道和電極的材料都要求耐高溫、耐腐蝕等，目前所用材料的壽命都比較短，因而磁流體發(fā)電機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。


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高中物理人教版 (新課標(biāo))選修3電子課本

5 電荷在磁場(chǎng)中受到的力

版本： 人教版 (新課標(biāo))

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