高中物理3.5磁场对运动电荷的作用力教案人教版选修3

◇课前预习◇
第5节磁场对运动电荷的作用力
一、相关知识点的回顾
1．磁场对电流有作用力，这个力叫安培力，安培力的大小与哪些因素有关？写出安培力的表达式。

2．安培力的方向怎样判断？左手定则的内容？安培力的方向与电流、磁场的方向有什么关系？3．在第二章我们曾经学过电流，电流的大小是怎样定义的？电流的流向与电荷的运动方向有怎样的关系
二、预习能掌握的内容
1．阴极射线是一束高速运动的（“质子”、“电子”）流。

课文中实验发现阴极射线在磁场中发生偏转说明。

我们把这个力叫。

2．通电导线受到的安培力，实际上是洛仑兹力的。

3．与安培力方向判断类似，洛仑兹力的方向判断也用。

4．在宏观图中画出安培力的方向，在微观图中画出洛仑兹力的方向。

（思考：如果是电子定向移动，在微观图上怎样画电荷的速度、洛仑兹力方向）。

体会左手定则判断洛仑兹力方法。

宏观微观
三、预学中的疑难问题
◇课堂互动◇
第5节磁场对运动电荷的作用力
一、学习目标
1.知道磁场对电流作用（安培力）实质是磁场对运动电荷作用（洛仑兹力）的宏观表现。

2.能根据安培力的表达式F=BIL推导洛仑兹力的表达式f=qvB，培养学生的推理能力和知识迁移能力。

并能够应用公式进行简单计算。

3.理解洛仑兹力的方向由左手定则判定，并会用左手定则熟练地判定。

二、学习过程
1.知识点一洛仑兹力的定义
⑴磁场对运动电荷的作用力叫洛仑兹力。

⑵安培力是大量电荷所受洛仑兹力的宏观体现。

【探究活动】观察实验演示阴极射线在磁场中的偏转现象。

ⅰ）不加磁场
ⅱ）射线与磁场垂直
【教师释疑】磁场对电流有安培力，而电流是电荷定向移动形成的，故磁场对运动电荷有作用力。

大量电荷洛仑兹力集中表现成宏观的安培力。

2.知识点二 洛仑兹力的大小 【探究讨论】
如何定量描述洛仑兹力的大小？
可以建立如下的电流物理模型，推导出洛伦兹力的计算式：
设有一段长度为L 的通电导线，横截面积为S ，导线每单位体积中含有的自由电荷数为n ，每个自由电荷的电量为q ，定向移动的平均速率为v ，将这段导线垂直于磁场方向放入磁感应强度B 的匀强磁场中
1.这段导线中电流I 的微观表达式是多少？
I=
2.这段导体所受的安培力为多大？
F=
3.这段导体中含有多少自由电荷数？ N=
4.每个自由电荷所受的洛伦兹力大小为多大？
从微观角度看，导体中运动的电荷受洛仑兹力作用，所有运动电荷受洛仑兹力的总体效应表现为导线受的安培力，设每个运动电荷的洛仑兹力为f ，由此必然有：
f=
N
F （引导学生分析f=qvB 的适用条件） 教师提问：
①f=qvB 的适用条件如何？
②当电荷速度V 的方向与磁感应强度B 的方向平行时，洛伦兹力f 又怎样？
③运动电荷在磁场中一定受洛仑兹力的作用吗？为什么？（实验观察阴极射线 v
∥B 现象）
师生共同总结：
①当电荷运动方向与磁场方向平行时，运动电荷虽然在磁场中，但不受洛仑兹力作用 ②当电荷运动方向与磁场方向垂直时，运动电荷受洛仑兹力最大f max =qvB 。

【教师释疑】一般我们只要求计算垂直入射情况下洛仑兹力的大小，了解以一般角度射入磁场，
宏观 微观
v
+q
洛仑兹力介于0与f max 之间。

电荷受到的洛仑兹力为零的可能情况①静止②v
∥B 。

【典题精讲1】电子的速率v =3×106
m/s ，垂直射入B =0.10 T 的匀强磁场中，它受到的洛伦兹力是多大？
【典题精讲2】下列说法正确的是：（ ）
A 、运动电荷在磁感应强度不为零的地方，一定受到洛仑兹力的作用
B 、运动电荷在某处不受洛仑兹力，则该处的磁感应强度一定为零
C 、电荷受到洛仑兹力，该电荷一定是运动的
D 、电荷受到洛仑兹力，该电荷相对磁场一定是运动的
3.知识点三 洛仑兹力的方向
洛仑兹力的方向也可以由左手定则判定
【探究活动】复习用安培定则判断安培力的方向，探究用安培定则判断洛伦兹力的方向
请一名学生带领大家分析如图的洛仑兹力的方向）
【教师释疑】
（1）左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四个手指 ，并且都和手掌在
面内，让磁
感线穿入手心，并使伸开的四指指向正电荷运动的方向，那么，大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。

（若负电荷怎么判断？）
（2
） 左手定则四指的指向：与电流流向一致；与正电荷运动方向一致；与负电荷运动方向相反
（3）洛仑兹力的方向：一定有
B F ⊥；v F ⊥
（思考：洛仑兹力做功吗？为什么？）
【典题精讲3】试判断下图中所示的带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的方向。

甲 乙 丙 丁
4．知识点四 电视显像管的工作原理
【自主学习】阅读教材相关内容，思考并回答问题。

电子束是怎样实现偏转的？ 问题1要是电子打在A 点，偏转磁场应该沿什么方向？ 问题2要是电子打在B 点，偏转磁场应该沿什么方向？
问题3要是电子打从A 点向B 点逐渐移动，偏转磁场应该怎样变化？ 学生阅读教材，进一步了解显像管的工作过程。

f
三、【当堂检测】
1、关于带电粒子所受洛伦兹力F和磁感应强度B及粒子速度v三者之间的关系，下列说法中正确的是（）
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
2、如图所示，匀强磁场方向水平向里，匀强电场方向竖直向下，有一正离子恰能沿直线从左向右水平飞越此区域。

则（）
B
A.若电子从右向左飞入，电子也沿直线运动
B.若电子从右向左飞入，电子将向上偏转
C.若电子从右向左飞入，电子将向下偏转
D.若电子从左向右飞入，电子也沿直线运动
3、一个长螺线管中通有电流，把一个带电粒子沿中轴线方向射入（若不计重力影响），粒子将在管中（）
A.做圆周运动
B.沿轴线来回运动
C.做匀加速直线运动
D.做匀速直线运动
4、来自宇宙的质子流，以与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一点，则这些质子在进入地球周围的空间时，将_______
A.竖直向下沿直线射向地面
B.相对于预定地面向东偏转
C.相对于预定点稍向西偏转
D.相对于预定点稍向北偏转
◇课后评价◇
第5节磁场对运动电荷的作用力
班级姓名学号
◆注意：1—5为单项选择题（每题4分），6、7为多项选择题（每题8分，漏选得4分）
1.一个电子穿过某一空间而未发生偏转，则（）
A．此空间一定不存在磁场 B．此空间可能有方向与电子速度平行的磁场C．此空间可能有磁场，方向与电子速度垂直 D．以上说法都不对
2.如图所示，带电粒子所受洛伦兹力方向垂直纸面向外的是（）
第2题
3.如图所示，空间有磁感应强度为B ，方向竖直向上的匀强磁场，一束电子流以初速v 从水平方向射入，为了使电子流经过磁场时不偏转（不计重力），则在磁场区域内必须同时存在一个匀强电场，这个电场的场强大小与方向应是 （ ） A ．B/v ，方向竖直向上 B ．B/v ，方向水平向左 C ．Bv ，垂直纸面向里 D ．Bv ，垂直纸面向外
4.如图所示，一带负电的滑块从粗糙斜面的顶端滑至底端时的速率为v,若加一个垂直纸面向外的匀强磁场，并保证滑块能滑至底端，则它滑至底端时的速率 （ ） A ．变大 B ．变小 C ．不变 D ．条件不足，无法判断
5．电子束以一定的初速度沿轴线进入螺线管内，螺线管中通以方向随时间而周期性变化的电流，如图所示，则电子束在螺线管中做 （ ） A ．匀速直线运动 B ．匀速圆周运动
C ．加速减速交替的运动
D ．来回运动
6．有关电荷所受电场力和洛伦兹力的说法中，正确的是 （ ） A ．电荷在磁场中一定受磁场力的作用 B ．电荷在电场中一定受电场力的作用
C ．电荷受电场力的方向与该处的电场方向一致
D ．电荷若受磁场力，则受力方向与该处的磁场方向垂直
7.带电荷量为+q 的粒子在匀强磁场中运动,下面说法中正确的是 ( ) 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 ．粒子只受到洛伦兹力的作用，不可能做匀速直线运动 8．（8分）在用阴极射线管研究磁场对运动电荷作用的实验中，将阴极射线管的A 、B 两极连在高压直流电源的正负两极上．从A 极发射出电子，当将一蹄形磁铁放置于阴极射线管两侧，显示出电子束的径迹如图所示，则阴极射线管的A 极应接在电源的 极上(选填“正”或“负”)；蹄形磁铁的C 端为 极(选填“N ”
或“S ”)。

9.（12分）质量为0.1g 的小物块带有5×10-4C 的电荷,放在倾角为300
且足够长的光滑绝缘的斜面上,整个装置放在磁感应强度为0.5T 的匀强磁场中,如图所示.物块由静止下滑,滑到某个位置时离开斜面,求: ⑴物块带何种电荷
?
第3题
第4题
第5题
第9题
第8题
⑵物块刚离开斜面时的速度多大?
⑶ 物块从静止到刚离开斜面的过程中做什么运动,斜面至少多长?
10 （10分） 如图所示的平行板器件中，电场E 和磁场B 相互垂直.具有某一水平速度v 的带电粒子将沿着图中所示的虚线穿过两板间的空间而不发生偏转.具有其他速度的带电粒子将发生偏转，这种器件能把具有速度v 的粒子选择出来，所以叫做速度选择器.试证明带电粒子具有速度v =E/B 时，才能沿着图示的虚线路径通过.
11．（12分）磁流体发电是一项新兴技术，它可以把物体的内能直接转化为电能。

如图所示为磁流体发电机示意图, 平行板之间有很强的磁场，将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量的正负带电粒子）喷入磁场，上下板之间便产生电压，如果把两板之间连上用电器，两板就是直流电源的两个极，若两极板间距d=20cm,磁场的磁感应强度B=5T,接入额定功率P=100W 的灯泡,灯泡恰好正常发光,灯泡正常发光时的电阻R=400Ω，不计磁流体发电机内阻 (1) 图中哪板是发电机的正极？ (2) 该发电机的电动势为多大？ （3）等离子体的流速多大？
12 （10分）在相互垂直的匀强电场和匀强磁场中，有一倾角为θ，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,带电量为十q 的小球静止在斜面顶端，这时小球对斜面的正压力恰好为零，如图所示,若迅速把电场方向反转竖直向下，小球能在斜面上连续滑行多远？所用时间是多少？
13．（12分）如图所示，质量m=0.1g 的小球，带有q=5×10-4C
的正电荷，套在一根与水平方向成
第10题 第11题
第12题
θ=37°的绝缘杆上，小球可以沿杆滑动，与杆间的动摩擦因数μ=0.4，这个装置放在磁感应强度B=0.5T 的匀强磁场中，求小球无初速释放后沿杆下滑的最大加速度和最大速度。

◇课堂互动◇答案
【典题精讲1】N F 14
108.4-⨯=
【典题精讲2】 D
【典题精讲3】 沿纸面内垂直速度向上、沿纸面内垂直速度向上、垂直纸面向里、垂直纸面向外 【当堂检测】1、B 2、BD 3、D 4、B
◇课后评价◇答案
8、负 、S 9、（1）带有负电荷.
（2）垂直斜面方向有0cos =-+αmg F Bqv N 当F N =0时，小滑块脱离斜面，αcos mg Bqv =.
得Bq
mg v α
cos =
4
31055.023
10101.0--⨯⨯⨯⨯⨯=m/s 32=m/s ≈3.4m/s.
（3）延斜面的分力不变αsin g a =
斜面的长度至少应是αsin 22
g v s =5
.0102)32(2⨯⨯=m =1.2 m.
10、[证明] 电荷q （带正电）刚进入平行板间时，受到两个力作用:一个电场力F 1=E q ，另一个是洛伦兹力F 2=qv B ，它们的方向相反.如果q 能穿过两板的空间而不发生偏转，应有F 1=F 2，即E q ＝qv B ，所以B
E v =
. [说明] 电荷q 带负电也可以，因为q 带负电，它受到的电场力和洛兹力的方向正好跟图中所示的方向相反，只要它的速率也是B
E
v =
，它也能穿过两板间而不发生偏转.所以，电荷带电的
第13题
正负不会影响速度选择器对它们的速度的选择，如果把电场方向改变为反方向或把磁场方向改变为反方向，则速度选择器不能使用.因为这时电场力和洛伦兹力是同向的，粒子必将发生偏转.如果同时把电场和磁场方向改变为相反方向，则速度选择器还能使用. 11、（1） 下板是正极 （2）200V （3）=v 200m/s
12、 θθθcot ;sin cos 2
222Bq
m q B g m 13、2max /6s m a = s m v /102.94max ⨯=。