物理选择性必修 第二册第三节 洛伦兹力教课课件ppt

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磁场对通电直导线有作用力。而导线的电流是由运动电荷形成的。 由此，可得运动电荷在磁场中也会受到力。
上述实验表明，当没有外磁场时，阴极射线管中的电子束沿直线前进。当磁场方向与电子束前进方向垂直时，电子束运动径迹发生了弯曲，表明磁场对电子束产生了作用力。
1895年，荷兰物理学家洛伦兹公布了磁场对运动电荷的作用力的公式。为了纪念他，人们将磁场对运动电荷的作用力称为洛伦兹力。
定义：运动电荷在磁场中受到的力。
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，而洛伦兹力是安培力的微观本质。
我们知道，通电导线在磁场中所受安培力的方向，与磁场方向、电流方向等因素有关。电流是由电荷的定向移动形成的，那么磁场对运动电荷产生的作用力的方向，即洛伦兹力的方向，是否也与磁场方向和电荷运动方向有关呢？
如图所示，当阴极射线管两端被加上高电压后，阴极射线管中的电子沿直线运动。改变磁铁方向即改变磁场方向，观察不同情况下电子偏转方向。实验记录结果如下
进一步实验表明，电子偏转方向与磁场方向、电子运动方向有关。当运动电荷的速度方向与磁场平行时，运动电荷不受洛伦兹力；当运动电荷的速度方向与磁场垂直时，运动电荷受到的洛伦兹力，其方向即与磁场方向垂直，又与速度方向垂直。
类比安培力方向的判断方向，洛伦兹力方向也可以运用左手定则进行判断。
如图所示，伸开左手，使大拇指与其余四指垂直，并且都与手掌在同一平面内，让磁感线垂直穿入手心，并使四指指向正电荷的运动方向，这时拇指所指的方向就是正电荷在该磁场中所受洛伦兹力的方向。运动的负电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向，与沿相同方向运动的正电荷所受力的方向相反。
例1：试判断下图中各带电粒子所受洛伦兹力的方向或带电粒子的运动方向。
洛伦兹力的大小又遵循怎样的定量规律？我们知道，通电导线在磁场中受到安培力的作用，而电流是由大量定向移动的电荷形成的，因此，我们可以将安培力看作是大量定向移动电荷所受洛伦兹力的宏观表现，下面利用安培力表达式推导洛伦兹力表达式。
如图所示，通电导线处于磁感应强度为B的匀强磁场中，导线中电流方向与磁场方向垂直。若只考虑其中一段长度为L的导线，设该段导线内定向移动的电荷数为N，导线所受安培力为F，每个电荷所受洛伦兹力为f
其中Q为时间t内经过导线横截面积S的电量
设自由电荷定向移动的速度为v，每个电荷所带电量为q，则
综上可得，导线中每个定向移动的电荷所受洛伦兹力的大小为
大量实验证实，这一结果同样适用于带电粒子在磁场中运动的情况。当电荷在垂直磁场的方向上运动时，磁场对运动电荷的洛伦兹力大小f等于电量q、电荷运动速率v、磁场磁感应强度B三者的乘积，即
仿照前面对于安培力大小的讨论可知，在一般情况下，当电荷运动的方向与磁场的方向夹角为θ时，电荷所受的洛伦兹力为
由于洛伦兹力的方向总是与电荷运动方向垂直，因此洛伦兹力不做功。
例2：如图所示，来自太阳和其他星体的宇宙射线含有大量高能带电粒子，幸好由于地球磁场的存在而改变了这些带电粒子的运动方向，使很多带电粒子不能到达地面，避免了其对地面上生命的危害。已知北京上空某处由南指北的磁感应强度为1.2×10-4T，如果有一速率为v=5.0×105m/s、电量q=1.6×10-19C的质子竖直向下运动穿过此处的地磁场。（1）此时该质子受到的洛伦兹力是多大？向哪个方向偏转？（2）在地球两极处地磁场方向可近似认为垂直于地面，在赤道处地磁场方向可近似认为由地理南极指向地理北极。那么，地球两极处和赤道处相比，哪个区域地磁场对高能带电粒子的阻挡效果更好？为什么？
解:(1)已知质子运动方向与地磁场方向垂直，根据洛伦兹力计算公式，得
f=qvB=1.6×10-19×5.0×105×1.2×10-4N=9.6×10-18N
根据左手定则可知，质子受到的洛伦兹力由西向东，因此质子向东偏转。
(2)由于地球两极处地磁场可近似认为垂直于地面，因此竖直向下的带电粒子运动方向与两极处的磁场方向平行，在南北两极不受洛伦兹力，地磁场对宇宙射线的阻挡效果较弱。 而在赤道附近，地磁场的方向由地理南极指向地理北极，带电粒子运动方向与磁场的方向垂直，带电粒子受到洛伦兹力的作用，所以对宇宙射线的阻挡效果更强。
例3：为了诊断病人的心脏功能和动脉中血液粘滞情况，可使用电磁流量计测量血管中血液的流速和流量。如图所示是电磁流量计测量血管中血液流速的示意图，使血管处于磁感应强度为B的匀强磁场中，测得血管两侧电压为U。已知血管的直径为d，假定血管中各处液体的流速v相同，忽略重力影响。（1）管壁上点a和点b，哪一点的电势高？（2）试求血管中血液的流速v。
解:(1)设血液中正负离子向右流动的速度为v，根据左手定则，在洛伦兹力作用下，正离子向管道a的一侧集中，则点a电势高于点b，之间形成电势差。
(2)当正负离子受到电场力与洛伦兹力平衡时，离子不再偏移，此时ab间有稳定的电势差，形成一个匀强磁场，对血液中的带电粒子，有 qvB=qU/d
例4：如图所示，在磁感应强度为B的水平匀强磁场中，有一足够长的绝缘细棒OO′在竖直面内垂直磁场方向放置，细棒与水平面间的夹角为α，一质量为m、带电荷量为＋q的圆环A套在OO′棒上，圆环与棒间的动摩擦因数为μ，且μ