高中物理 第三章 磁場 4磁場對運動電荷的作用 洛倫茲力課件 教科版選修31.ppt

4磁場對運動電荷的作用 洛倫茲力 冰島的極光 太陽風(fēng) 受到了什么力的作用 這種力的方向和大小是怎樣的 1 通過實驗認(rèn)識洛倫茲力 知道什么叫做洛倫茲力 2 知道洛倫茲力的方向與哪些因素有關(guān) 會用左手定則判定洛倫茲力的方向 重點 3 能根據(jù)安培力公式和電流強(qiáng)度的微觀表達(dá)式推導(dǎo)洛倫茲力的表達(dá)式 4 會推導(dǎo)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運動的半徑 周期公式 知道它們與哪些因素有關(guān) 陰極射線管的結(jié)構(gòu) 陰極射線管的原理 從陰極發(fā)射出來的電子 在陰陽兩極間的高壓作用下 使電子加速 形成電子束 轟擊到長條形的熒光屏上激發(fā)出熒光 可以顯示電子束的運動軌跡 實驗現(xiàn)象 在沒有外磁場時 電子束沿直線運動 將蹄形磁鐵靠近陰極射線管 發(fā)現(xiàn)電子束運動軌跡發(fā)生了彎曲 結(jié)論 磁場對運動電荷有作用力 荷蘭物理學(xué)家 他是電子論的創(chuàng)始人 相對論中洛倫茲變換的建立者 并因在原子物理中的重要貢獻(xiàn) 塞曼效應(yīng) 獲得第二屆 1902年 諾貝爾物理學(xué)獎 被愛因斯坦稱為 我們時代最偉大 最高尚的人 洛倫茲 lorentz 1853 1928 一 洛倫茲力 1 定義 運動電荷在磁場中受到的磁場力稱為洛倫茲力 洛倫茲力使粒子運動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn) 來自太陽的大量帶電粒子 在太陽創(chuàng)造的諸如光和熱等形式的能量中 有一種能量被稱為 太陽風(fēng) 這是一束可以覆蓋地球的強(qiáng)大的帶電亞原子顆粒流 該太陽風(fēng)在地球上空環(huán)繞地球流動 以大約每秒400公里的速度撞擊地球磁場 磁場使該顆粒流偏向地磁極下落 它們與氧原子和氮原子碰撞 擊走電子 使之成為激發(fā)態(tài)的離子 這些離子發(fā)射不同波長的輻射 產(chǎn)生紅 綠 藍(lán)等色的極光特征色彩 形成極光 在南極地區(qū)形成的叫南極光 在北極地區(qū)同樣可看到這一現(xiàn)象 稱之為北極光 冰島的極光 北極極光 2 洛倫茲力的大小 靜止的通電導(dǎo)線在磁場中受到安培力的作用 電流是電荷的定向移動形成的 安培力等于磁場中粒子所受洛倫茲力的總和 即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本質(zhì) 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 每個自由電荷的電荷量為q 自由電荷定向移動的速率為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 則 f bil nlsf洛 f洛 qvb 電荷量為q的粒子以速度v運動時 如果速度方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直 那么粒子所受的洛倫茲力為 v垂直于b 問題 若帶電粒子不垂直射入磁場 粒子受到的洛倫茲力又如何計算呢 如果速度v與磁場b不垂直 我們可以把速度v分解為垂直于磁場的v1和平行于磁場的v2 垂直于磁場方向所受的洛倫茲力f qv1b 平行于磁場方向f 0 v1 v2 3 洛倫茲力的方向 通電導(dǎo)線所受安培力的方向我們是用左手定則來判斷的 帶電粒子在磁場中所受洛倫茲力的方向 同樣可以用左手定則來判斷 注意四指的指向與正電荷的運動方向相同 與負(fù)電荷的運動方向相反 伸開左手 使拇指與其余四指垂直且處于同一平面內(nèi) 讓磁感線從掌心進(jìn)入 使四指指向正電荷運動的方向 拇指所指的方向就是正電荷所受洛倫茲力的方向 左手定則 v f 二 帶電粒子在磁場中的運動 v b 我們從左手定則可以知道 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運動所受洛倫茲力的方向總是與速度方向垂直 洛倫茲力對運動電荷不做功 即粒子速度大小不變 方向時刻改變 粒子速度怎樣變化呢 洛倫茲力怎樣變化呢 大小恒為f qvb 方向時刻與速度方向垂直 v 結(jié)論 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運動 設(shè)圓周半徑為r 根據(jù)牛頓第二定律和向心力公式有f qvb 得 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運動的軌道半徑r和周期t是怎樣的呢 帶電粒子做圓周運動的周期得 例1 關(guān)于帶電粒子所受洛倫茲力f 磁感應(yīng)強(qiáng)度b和粒子速度v三者之間的關(guān)系 下列說法中正確的是 a f b v三者必定兩兩相互垂直b f必定垂直于b v 但b不一定垂直于vc b必定垂直于f 但f不一定垂直于vd v必定垂直于f 但f不一定垂直于b b 典例分析 例2 帶正電粒子以4 106m s的速率垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為0 5t的勻強(qiáng)磁場中 受到的磁場力為n 如果帶正電粒子射入磁場時的速度v與b的方向間的夾角是180 則電子所受的磁場力為n 3 2 10 13 0 例3 兩個帶電粒子沿垂直磁場方向射入同一勻強(qiáng)磁場中 它們在磁場中做勻速圓周運動的半徑相同 且轉(zhuǎn)動方向也相同 那么這兩個粒子的情況是 a 兩個粒子的速度大小一定相同b 兩個粒子的質(zhì)量一定相同c 兩個粒子的運動周期一定相同d 兩個粒子所帶電荷種類一定相同 d 1 洛倫茲力 磁場對運動電荷的作用力安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)2 洛倫茲力的方向 左手定則f vf b3 洛倫茲力大小 f洛 qvbsin v bf洛 qvbv bf洛 0 5 垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中的帶電粒子 洛倫茲力提供向心力 粒子做勻速圓周運動 其半徑為 周期為 4 特點 洛倫茲力只改變速度的方向 不改變速度的大小 洛倫茲力對運動電荷不做功 1 下列有關(guān)電荷所受電場力和洛倫茲力的說法中 正確的是 a 電荷在磁場中一定受磁場力的作用b 電荷在電場中一定受電場力的作用c 電荷受電場力的方向與該處電場方向垂直d 電荷若受磁場力 則受力方向與該處磁場方向垂直 bd 2 兩個帶電粒子以相同的速度垂直磁感線方向進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場 兩粒子質(zhì)量之比為1 4 電量之比為1 2 則兩帶電粒子所受洛倫茲力之比為 a 2 1b 1 1c 1 2d 1 4 c 3 2012 廣東高考 質(zhì)量和電量都相等的帶電粒子m和n 以不同的速率經(jīng)小孔s垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場 運行的半圓軌跡如圖中虛線所示 下列表述正確的是 a m帶負(fù)電 n帶正電b m的速率小于n的速率c 洛倫茲力對m n做正功d m的運行時間大于n的運行時間 a 解析 選a 由左手定則可知a選項正確 由得 b選項錯誤 由于洛侖茲力的方向始終與帶電粒子的運動方向垂直 故洛侖茲力永遠(yuǎn)不會對m n做功 則c選項錯 由及題給條件可知 這二個帶電粒子在磁場中運動的周期相等 又由圖可見二個粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)角相等 均偏轉(zhuǎn)了半個周期 故在磁場中運動的時間相等 所以d選項錯誤 4 質(zhì)子 和 粒子 以相同的速度垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場中 它們在垂直于磁場的平面內(nèi)做勻速圓周運動 它們的軌道半徑和運動周期的關(guān)系是 a rh r 1 2 th t 1 2b rh r 2 1 th t 1 2c rh r 1 2 th t 2 1d rh r 1 4 th t 1 4 a 5 月球上的磁場極其微弱 探測器通過測量運動電子在月球磁場中的軌跡來推算磁場強(qiáng)弱的分布 如圖所示是探測器通過月球上a b c d四個位置時 電子運動軌跡的照片 設(shè)電子速率均為90m s 且方向與磁場方向垂直 其中磁場最強(qiáng)的是位置 圖a中電子軌道半徑為10cm 由公式r 知 a點的磁感應(yīng)強(qiáng)度為t 電子荷質(zhì)比為1 8 1011c kg a 5 10 9 6 2013 安徽高考 圖中a b c d為四根與紙面垂直的長直導(dǎo)線 其橫截面位于正方形的四個頂點上 導(dǎo)線中通有大小相同的電流 方向如圖所示 一帶正電的粒子從正方形中心o點沿垂直于紙面的方向向外運動 它所受洛倫茲力的方