知识讲解_磁场对运动电荷的作用力 提高.doc

学海在线资源中心 磁场对运动电荷的作用力 编稿：周军　　　审稿：李勇康 【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，提示了带电粒子的定向运动的电荷数。 　　（2）大小关系：，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）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v⊥B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： 。 　　（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 　　（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； 　　③洛伦兹力恒不做功，但安培力却可以做功。 　　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 ，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、 在磁感应强度为曰的匀强磁场中，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=________，该段导线所受的安培力为F=________。 【答案】 qvB NqvB 【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v⊥B，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°=qvB，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，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】有一质量为m、电荷量为q的带正电的小球停在绝缘平面上，并处在磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，如图所示．为了使小球漂离平面，匀强磁场在纸面内移动的最小速度应为多少？方向如何？ 【答案】 水平向左 【解析】 当磁场向左运动时，相当于小球向右运动，带正电小球所受的洛伦兹力方向向上，当其与重力平衡时，小球即将漂离平面．设此时的速度为v，则由力的平衡有： qvB=mg，则．磁场应水平向左平移． 【总结升华】 洛伦兹力F=qvB中的v是电荷相对于磁场的速度，所以，即使小球相对地面静止，当磁场运动时带电小球仍受磁场力（洛伦兹力）作用． 【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、 如图所示，一个带正电荷的小球沿水平光滑绝缘的桌面向右运动，飞离桌子边缘A，最后落到地板上．设有磁场时飞行时间为t1，水平射程为x1，着地速度大小为v1；若撤去磁场，其余条件不变时，小球飞行时间为t2，水平射程为x2，着地速度大小为v2．则下列结论不正确的是（ ） A．x1＞x2 B．t1＞t2 C．v1＞v2 D．v1和v2大小相同 【思路点拨】洛伦兹力不做功，但会影响物体的运动情况。 【答案】 C 【解析】 本题考查带电粒子在磁场中的运动情况．小球离开桌面具有水平速度，无磁场时做平抛运动，水平射程x2=v0t2，下落高度；有磁场时小球除受重力外还受到洛伦兹力的作用，而洛伦兹力时刻与速度方向垂直，因此小球在水平方向具有加速度，在水平方向将做变加速运动，而竖直方向加速度（F为洛伦兹力在竖直方向的分量），即a＜g，因此下落h高度用的时间t1＞t2，B选项正确．水平方向的位移x1＞x2，A选项正确．又因为洛伦兹力不做功，只有重力做功，故机械能守恒，所以能量守恒v1=v2，D选项正确．只有C选项错误．故正确答案为C． 【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、 (2014 张家港质检)如图所示，在平行线MN、PQ之间存在竖直向上的匀强电场和垂直纸面的磁场(未画出)，磁场的磁感应强度从左到右逐渐增大。一带电微粒进入该区域时，由于受到空气阻力作用，恰好能沿水平直线OO′通过该区域。带电微粒所受的重力忽略不计，运动过程带电量不变。下列判断正确的是(　　) A．微粒从左到右运动，磁场方向向里 B．微粒从左到右运动，磁场方向向外 C．微粒从右到左运动，磁场方向向里 D．微粒从右到左运动，磁场方向向外 【答案】B 【解析】由微粒恰好能沿水平直线OO′通过该区域说明洛伦兹力qvB与电场力qE平衡，微粒受到空气阻力作用，速度逐渐减小，沿运动方向磁场的磁感应强度必须逐渐增大。因此微粒从左到右运动；磁场方向向外，选项B正确。 类型六、 电视机显像管工作原理及实际应用 例6、(2014 江苏名校质检)图1所示为显像管的原理示意图，当没有磁场时电子束将打在荧光屏正中的O点。安装在管径上的偏转线圈可以产生磁场，使电子束发生偏转。设垂直纸面向里的磁场方向为正方向，如果要使电子束打在荧光屏上的位置由a点逐渐移动到b点，图2中哪种变化的磁场能够使电子发生上述偏转(　　) 图1 图2 【答案】A 【解析】要使电子束打在荧光屏上的位置由a点逐渐移动到b点，根据左手定则，能够使电子发生上述偏转的变化的磁场是图A。 【总结升华】 理解电子偏转的原因及认真审题（由a点逐渐移动到b点）是解题的关键． 类型七、带电粒子在复合场中的直线运动 例7 、设在地面上方的真空室内，存在匀强电场和匀强磁场．已知电场强度和磁感应强度的方向相同，且电场强度的大小E=4 V／m，磁感应强度的大小B=0.15 T．今有一个带负电的质点以v=20 m／s的速度在此区域内，沿垂直于场强方向做匀速直线运动，求此带电质点的电荷量与质量之比及磁场的所有可能方向（角度可用反三角函数表示）． 【思路点拨】对物体能进行正确的受力分析、构建合理的物理情景。 【答案】 磁场沿着与重力方向成夹角且斜向下的一切方向 【解析】 由于带电质点做匀速直线运动，故质点所受的重力、电场力和洛伦兹力三个力合力为零，由此推知，此三个力在同一平面内，且电场力、洛伦兹力互相垂直，该二力的合力方向竖直向上，大小等于mg，画出质点的受力图如图所示，可求得荷质比．又质点带负电，电场强度与磁感应强度方向是相同的，故磁场方向与电场力方向相反．由计算可知，磁场沿着与重力方向成夹角且斜向下的一切方向． 【总结升华】 本题是带电粒子在复合场中的匀速直线运动问题．对物体能进行正确的受力分析、构建合理的物理情景是分析本题的关键．同时还要求学生必须具有一定的空间想像能力和运用数学工具解题的能力． 类型八、 洛伦兹力作用下的临界（极值）问题分析 例8、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？ 【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】 【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． ① 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． ② 小球在斜面上滑行距离为：． ③ a=2gsin． ④ 联立①②③④得，所用时间为． 【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．