2019-2020学年高中物理 第3章 磁场 第5节 运动电荷在磁场中受到的力课件 新人教版物理选修

5运动电荷在磁场中受到的力同学们，上一节我们学习了通电导线在磁场中的受力规律，首先请大家回顾一下有关知识，然后回答下面的几个问题：课前·自主学习1.如图所示，磁场方向竖直向下，通电直导线ab由水平位置1绕a点在竖直平面内转到位置2，通电导线所受安培力()A．数值变大，方向不变B．数值变小，方向不变C．数值不变，方向改变D．数值、方向均改变【答案】B【解析】安培力F＝BIL，电流不变，垂直直导线的有效长度减小，安培力减小，安培力的方向总是垂直B、I所构成的平面，所以安培力的方向不变，B对，故选B.2.如图所示，倾斜导轨宽为L，与水平面成α角，处在方向竖直向上、磁感应强度为B的匀强磁场中，金属杆ab水平放在导轨上．当回路电流强度为I时，金属杆ab所受安培力F()A．方向垂直ab杆沿斜面向上B．方向垂直ab杆水平向右C．F＝BILcosαD．F＝BILsinα【答案】B【解析】由题图知电流方向由b→a且与磁场方向垂直，根据左手定则可知安培力水平向右，由安培力计算公式可得F＝BIL，故选B.一、洛伦兹力1．定义：____________在磁场中所受的力．2．洛伦兹力与安培力的关系：通电导体在磁场中所受的安培力是导体中运动电荷所受__________的____________．运动电荷洛伦兹力宏观表现二、洛伦兹力的方向1．左手定则：伸开左手，使拇指与其余四个手指______，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________________的方向，这时______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______．2．洛伦兹力方向的特点：F⊥B，F⊥v，即F垂直于____________所决定的平面．垂直正电荷运动拇指相反B和v三、洛伦兹力的大小1．当v与B成θ角时：F＝____________.2．当v⊥B时：F＝______.3．当v∥B时：F＝__.四、电视显像管的原理电视显像管应用了电子束________的原理．电子束在随时间变化的磁场的作用下发生偏转，逐行扫描，使荧光屏发光．qBvsinθqvB0磁偏转显像管工作时，电子束是依次扫描荧光屏上各点，但是我们为什么觉察不到荧光屏的闪烁？【答案】电视机中的电子束每秒要进行50场扫描，由于视觉暂留的效果，所以我们感觉到整个荧光屏都在发光而不是闪烁.1．洛伦兹力的方向(1)F⊥B，F⊥v，F垂直于B、v共同确定的平面，但B与v不一定垂直．(2)洛伦兹力的方向随电荷运动方向的变化而变化．但无论怎么变化，洛伦兹力都与运动方向垂直，故洛伦兹力永不做功，它只改变电荷的运动方向，不改变电荷的速度大小．课堂·优化整合洛伦兹力方向和大小2．洛伦兹力的大小：F＝qvBsinθ，θ为电荷运动的方向与磁感应强度方向的夹角．(1)当电荷运动方向与磁场方向垂直时：F＝qvB.(2)当电荷运动方向与磁场方向平行时：F＝0.(3)当电荷在磁场中静止时：F＝0.在下列各图中，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，并指出洛伦兹力的方向．例1解析：(1)因v⊥B，所以F＝qvB，方向与v垂直指向左上方．(2)v与B的夹角为30°，将v分解成垂直磁场的分量和平行磁场的分量，v⊥＝vsin30°，F＝qvBsin30°＝12qvB，方向垂直纸面向里．(3)由于v与B平行，所以不受洛伦兹力．(4)v与B垂直，F＝qvB，方向与v垂直指向左上方．答案：(1)qvB垂直v指向左上方(2)12qvB垂直纸面向里(3)不受洛伦兹力(4)qvB垂直v指向左上方1．下列关于洛伦兹力的说法中，正确的是()A．只要速度大小相同，所受洛伦兹力就相同B．如果把＋q改为－q，且速度反向，大小不变，则洛伦兹力的大小、方向均不变C．洛伦兹力方向一定与电荷速度方向垂直，磁场方向一定与电荷运动方向垂直D．粒子在只受到洛伦兹力作用下运动的动能、速度均不变【答案】B【解析】根据左手定则，洛伦兹力垂直于B和v平面，但B和v不一定垂直，C错误；速度的方向不同，洛伦兹力的方向也不同，A错误，B正确；洛伦兹力不做功，粒子的动能不变，但是速度的方向会变，D错误．1．洛伦兹力与安培力的关系(1)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．(2)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，但不能简单地认为安培力就等于所有定向移动的电荷所受洛伦兹力的合力，只有当导体静止时才能这样认为．(3)洛伦兹力永不做功，但安培力却可以做功．可见安培力与洛伦兹力既有联系，也有区别．洛伦兹力与安培力和电场力2．洛伦兹力与电场力的比较项目洛伦兹力电场力性质磁场对在其中运动的电荷的作用力电场对放入其中电荷的作用力产生条件v≠0且v不与B平行电场中无论电荷处于何种状态F≠0大小F＝qvB(v⊥B)F＝qE方向满足左手定则，F⊥B，F⊥v正电荷受力方向与电场方向相同，负电荷受力方向与电场方向相反做功情况任何情况下都不做功可能做正功、负功，也可能不做功作用效果只改变电荷运动的速度方向，不改变速度大小既可以改变电荷运动的速度大小，也可以改变电荷运动的方向如图所示，带电小球以一定的初速度v0竖直向上抛出，能够达到的最大高度为h1；若加上水平方向的匀强磁场，且保持初速度仍为v0，小球上升的最大高度为h2；若加上水平方向的匀强电场，且保持初速度仍为v0，小球上升的最大高度为h3；若加上竖直向上的匀强电场，且保持初速度仍为v0，小球上升的最大高度为h4，如图所示．不计空气阻力，则下列说法正确的是()例2A．一定有h1＝h3B．一定有h1＜h4C．一定有h2＝h4D．一定有h1＝h2解析：第1个图，由竖直上抛运动的最大高度公式得：h1＝v202g.第3个图，当加上电场时，由运动的分解可知，在竖直方向上有：v20＝2gh3，所以h1＝h3，故A正确．而第2个图，洛伦兹力改变速度的方向，当小球在磁场中运动到最高点时，小球应有水平速度，设此时的球的动能为Ek，则由能量守恒得mgh2＋Ek＝12mv20，又由于12mv20＝mgh1，所以h1＞h2，故D错误．第4个图，因电性不知，则电场力方向不清，则高度可能高于h1，也可能小于h1，故B、C错误．答案：A2．(2018·宁夏中卫名校期末)关于安培力和洛伦兹力，下列说法中正确的是()A．带电粒子在磁场中运动时，一定受到洛伦兹力作用B．放置在磁场中的通电导线，一定受到安培力作用C．洛伦兹力对运动电荷一定不做功D．洛伦兹力可以改变运动电荷的速度大小【答案】C【解析】当带电粒子的运动方向与磁场方向平行时，带电粒子不受洛伦兹力作用，故A错误；当通电导线电流方向与磁场方向平行时，通电导线不受安培力，故B错误；由左手定则可知，洛伦兹力与粒子的运动方向垂直，即与位移方向垂直，在洛伦兹力方向上，带电粒子没有位移，洛伦兹力对带电粒子不做功，故C正确；洛伦兹力只能改变运动电荷的速度方向，不会改变速度大小，故D错误．分析带电体受洛伦兹力作用运动的问题，与分析物体在其他力作用下的运动一样，要对研究对象的受力情况、运动情况进行分析，分析时尤其要注意：(1)洛伦兹力与重力、弹力、摩擦力等都属于性质力，在研究电荷或带电体的运动时应注意洛伦兹力，受力分析时不要漏掉洛伦兹力．与洛伦兹力相关的运动问题的分析技巧(2)洛伦兹力的大小不仅与磁感应强度B有关，而且与所带电荷量q有关，还与带电体的运动速度v有关，物体的受力会使速度变化，速度的变化则会影响洛伦兹力，洛伦兹力变化会使物体的合外力和加速度也变化．所以，解决此类问题时，应认真进行受力分析，并时刻注意洛伦兹力的变化．一个质量m＝0.1g的小滑块，带有q＝5×10－4C的电荷量，放置在倾角α＝30°的光滑斜面上(绝缘)，斜面固定且置于B＝0.5T的匀强磁场中，磁场方向垂直纸面向里，如图所示，小滑块由静止开始沿斜面滑下，斜面足够长，小滑块滑至某一位置时，要离开斜面(g取10m/s2)．求：(1)小滑块带何种电荷？(2)小滑块离开斜面时的瞬时速度为多大？(3)该斜面长度至少为多长？(计算结果保留两位有效数字)例3解析：(1)小滑块在沿斜面下滑的过程中，受重力mg、斜面支持力FN和洛伦兹力F作用，如图所示，若要使小滑块离开斜面，则洛伦兹力F应垂直斜面向上，根据左手定则可知，小滑块应带负电荷．(2)小滑块沿斜面下滑的过程中，垂直于斜面的加速度为零时，由平衡条件得F＋FN＝mgcosα，当支持力FN＝0时，小滑块脱离斜面．设此时小滑块速度为vmax，则此时小滑块所受洛伦兹力F＝qvmaxB,所以vmax＝mgcosαqB＝0.1×10－3×10×325×10－4×0.5m/s≈3.5m/s.(3)设该斜面长度至少为l，则小滑块离开斜面的临界情况为小滑块刚滑到斜面底端时．因为下滑过程中只有重力做功，由动能定理得mglsinα＝12mv2max－0所以斜面长至少为l＝v2max2gsinα＝3.522×10×0.5m≈1.2m.答案：(1)负电荷(2)3.5m/s(3)1.2m3．(2017·商洛期末)如图所示，一个带负电的物体从绝缘粗糙斜面顶端滑到底端时的速度为v，若加上一个垂直纸面向外的磁场，则滑到底端时()A．v变大B．v变小C．v不变D．不能确定v的变化【答案】B【解析】未加磁场时，根据动能定理，有mgh－Wf＝12mv2－0.加磁场后，多了洛伦兹力，洛伦兹力不做功，但正压力变大，摩擦力变大，根据动能定理，有mgh－Wf′＝12mv′2－0，Wf′＞Wf，所以v′＜v.故B正确，A、C、D错误．