高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册2 磁场对运动电荷的作用力学案

2020-2021学年人教版（2019）选择性必修第二册

 1.2磁场对运动电荷的作用力 学案

学习目标

1、通过实验，认识洛伦兹力。

2、会用左手定则判断洛伦兹力的方向。

3、了解洛伦兹力公式的推导过程，会计算洛伦兹力的大小。

4、了解显像管的基本构造和工作原理。

重点难点

1、利用左手定则判断洛伦兹力的方向。（重点）

2、掌握垂直磁场方向进入磁场的带电粒子受到的洛伦兹力大小的计算方法。（难点）

3、洛伦兹力方向的判定。（难点）

4、理解洛伦兹力对运动电荷永不做功。（难点）

自主探究

一、洛伦兹力的方向

1、洛伦兹力

(1)定义：运动电荷在磁场中所受的力。

(2)与安培力的关系：通电导线在磁场中所受的安培力是洛伦兹力的宏观表现。

2、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平面内．让磁感线从掌心进入，并使四指指向正电荷运动方向，这时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。

二、洛伦兹力的大小

1、当v与B成角时：

2、当时，

3、当时：

三、电子束的磁偏转

1、电视显像管的构造：如图所示，由电子枪、偏转线圈和荧光屏组成。

2、电视显像管的原理

(1)电子枪发射电子

(2)电子束在磁场中偏转

(3)荧光屏被电子束撞击发光

3、扫描：在偏转区的水平方向和竖直方向都有偏转磁场，其方向、强弱都在不断变化，使得电子束打在荧光屏上的光点从上向下、从左向右不断移动。

4、偏转线圈：使电子束偏转的磁场是由两对线圈产生的。

探究思考

一、运用比较法认识洛伦兹力

1、安培力与洛伦兹力的比较

2、洛伦兹力与电场力的比较

【典例一】1、在如图所示的四幅图中，正确标明了带正电的粒子所受洛伦兹力F方向的是(   )

A. B. 

C. D.

解题思路： 由左手定则可知，A图中粒子所受洛伦兹力竖直向下，故A错误；由左手定则可知，B图中粒子所受洛伦兹力竖直向上，故B正确；由左手定则可知，C图中粒子所受洛伦兹力垂直纸面向里，故C错误；由左手定则可知，D图中粒子所受洛伦兹力垂直纸面向外，故D错误。

答案：B

二、带电粒子在电磁复合场中的运动

1、速度选择器

如图所示，忽略带电粒子的重力时，带电粒子沿虚线做匀速直线运动时，则由得。即选择出速度的粒子，跟粒子的电性、电荷量和质量无关。

需要注意的是，带负电的粒子以速度从左边进入，也可匀速通过这个选择器，但是，若该粒子从右边进入，就不能沿虚线通过了。

2、磁流体发电机

磁流体发电机发电原理图如图所示。

设带电粒子的运动速度为v，带电荷量为q，磁场的磁感应强度为B，P、Q极板间距离为d，极板间电压为U，当粒子（不计重力）匀速直线通过时，据，有，得。

根据外电路断开时，电源电动势的大小等于路端电压，故此磁流体发电机的电动势为。

3、电磁流量计

工作原理：如图所示，圆柱形导管直径为D，由非磁性材料制成，导电液体在管中向左流动，导电液体中的自由电荷(正、负离子，不计重力)在洛伦兹力的作用下纵向偏转，a、b间出现电势差，形成电场，当自由电荷所受的电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差就保持稳定，即：，所以，因此液体流量。

4、霍尔效应

如图所示，高度为h，厚度为d的导体板放在垂直于它且磁感应强度为B的匀强磁场中。当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。稳定后，电势差U与磁感应强度B及导电粒子定向移动速度的关系：，得。

【典例二】2、如图所示为速度选择器装置示意图，水平放置的平行金属板，其电容为C，板间距离为d，平行板内存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为板分别带上等量异种电荷后，平行板内产生竖直方向的匀强电场.一带电粒子以速度经小孔进入正交电磁场后可沿直线运动，由射出，粒子所受重力不计，以下说法正确的是(   )

A.a板带负电，其电荷量为

B.a板带正电，其电荷量为

C.极板间的电场强度，方向竖直向下

D.若粒子的初速度大于，粒子在极板间将向右上方做匀加速曲线运动

解题思路： 粒子所受洛伦兹力与电场力大小相等、方向相反时，才能沿直线通过平行金属板，则板间电场方向竖直向下，a板带正电，则有，得，则，故A、B错误，C正确.若该粒子带正电，且初速度大于，则粒子所受洛伦兹力大于电场力，可知粒子向上偏转，随着速度的变化，洛伦兹力大小和方向都变化，可知粒子做曲线运动，但不是匀加速曲线运动，故D错误.

答案： C

随堂训练

1、如图所示，在阴极射线管正上方平行放一通有强电流的长直导线，则阴极射线(电子流)将(   )

A.向纸内偏转                        B.向纸外偏转 

C.向上偏转                        D.向下偏转

答案：C

2、如图所示是电视机显像管及其偏转线圈的示意图。初速度不计的电子经加速电场加速后进入有限边界的匀强磁场中发生偏转，最后打在荧光屏上。如果发现电视画面幅度与正常的相比偏小，则引起这种现象可能的原因是(   )

A.电子枪发射能力减弱，电子数量减少 

B.加速电场的电压过低，电子速率偏小
C.偏转线圈局部短路，线圈匝数减少 

D.偏转线圈中电流过大，偏转线圈的磁感应强度增强

答案： C

3、在一次南极科考活动中，科考人员使用磁强计测定地磁场的磁感应强度.其原理如图所示，电路中有一段长方体的金属导体，它长、宽、高分别为，放在沿y轴正方向的匀强磁场中，导体中电流方向沿x轴正方向，大小为I.已知金属导体单位体积中的自由电子数为n，电子电荷量为e，自由电子做定向移动可视为匀速运动，通过测出金属导体前、后两个侧面间电压U来判断磁感应强度的大小，则(   )

A.金属导体的前侧面电势较低 

B.金属导体的电阻为

C.自由电子定向移动的速度大小为 

D.磁感应强度的大小为

答案：AD

4、如图所示是磁流体发电机的示意图，间距为d的两平行金属板之间有一磁感应强度大小为B的匀强磁场，与电阻R相连接，一束含有大量正、负带电离子的等离子体以速度v沿垂直于磁场的方向射入磁场。若两平行金属板之间的内阻为r，则下列说法正确的是(   )

A.流过电阻R的电流方向由b到a 

B.流过电阻R的电流大小为

C.电阻R的热功率为 

D.当时，磁流体发电机输出电功率最大

答案：BC