物理选修35 电荷在磁场中受到的力教案

这是一份物理选修35 电荷在磁场中受到的力教案，共6页。

eq \(\s\up7(),\s\d5(整体设计))


教学目标


1．知识与技能


(1)知道什么是洛伦兹力。利用左手定则判断洛伦兹力的方向。


(2)知道洛伦兹力大小的推理过程。


(3)掌握垂直进入磁场方向的带电粒子，受到洛伦兹力大小的计算。


(4)了解v和B垂直时的洛伦兹力大小及方向判断。理解洛伦兹力对电荷不做功。


(5)了解电视显像管的工作原理。


2．过程与方法


通过观察，形成洛伦兹力的概念，同时明确洛伦兹力与安培力的关系(微观与宏观)，洛伦兹力的方向也可以用左手定则判断。通过思考与讨论，推导出洛伦兹力的大小公式F＝qvBsinθ。最后了解洛伦兹力的一个应用——电视显像管中的磁偏转。


3．情感态度与价值观


引导学生进一步学会观察、分析、推理，培养学生的科学思维和研究方法。让学生认真体会科学研究最基本的思维方法：“推理—假设—实验验证”。


教学重点难点


重点：1.利用左手定则会判断洛伦兹力的方向。洛伦兹力大小计算公式的推导和应用。


2．掌握垂直进入磁场方向的带电粒子，受到洛伦兹力大小的计算。


这一节承上(安培力)启下(带电粒子在磁场中的运动)，是本章的重点。


难点：1.洛伦兹力对带电粒子不做功。


2．洛伦兹力方向的判断。洛伦兹力计算公式的推导。


教学用具


电子射线管、高压电源、磁铁、多媒体。


eq \(\s\up7(),\s\d5(教学过程))


导入新课


前面我们学习了磁场对电流的作用力，下面思考两个问题：


1．如图判定安培力的方向(让学生上黑板做)





若已知上图中：B＝4.0×10－2 T，导线长L＝10 cm，I＝1 A。求：导线所受的安培力大小？


[学生解答]


解：F＝BIL＝4×10－2 T×1 A×0.1 m＝4×10－3 N


答：导线受的安培力大小为4×10－3 N。


2．什么是电流？


[学生答]电荷的定向移动形成电流。


[教师讲述]磁场对电流有力的作用，电流是由电荷的定向移动形成的，我们会想到：这个力可能是作用在运动电荷上的，而安培力是作用在运动电荷上的力的宏观表现。


[演示实验]观察磁场阴极射线在磁场中的偏转(95页图3.51)


[教师]说明电子射线管的原理：


说明阴极射线是灯丝加热放出电子，电子在加速电场的作用下高速运动而形成的电子流，轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光，可以显示电子束的运动轨迹，磁铁是用来在阴极射线周围产生磁场的，还应明确磁场的方向。


[实验结果]在没有外磁场时，电子束沿直线运动，蹄形磁铁靠近电子射线管，发现电子束运动轨迹发生了弯曲。学生用左手定则判断电子束弯曲方向。


[学生分析得出结论]磁场对运动电荷有作用力


推进新课


1．洛伦兹力的方向和大小


(1)洛伦兹力的定义：运动电荷在磁场中受到的作用力。


通电导线在磁场中所受安培力是洛伦兹力的宏观表现。


【说明】 可以根据磁场对电流有作用力而对未通电的导线没有作用力，引导学生提出猜想：磁场对电流作用力的实质是磁场对运动电荷的作用力。


[过渡语]运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用，那么洛伦兹力的方向如何判断呢？


[问题]如图





(2)洛伦兹力的方向


①判定安培力方向。(上图甲中安培力方向为垂直电流方向向上，乙图安培力方向为垂直电流方向向下)


②电流方向和电荷运动方向的关系。(电流方向与正电荷运动方向相同，与负电荷运动方向相反)


③F安的方向和洛伦兹力方向的关系。(F安的方向与正电荷所受的洛伦兹力的方向相同，与负电荷所受的洛伦兹力的方向相反。)


④电荷运动方向、磁场方向、洛伦兹力方向的关系。(学生分析总结)


⑤洛伦兹力方向的判断——左手定则


伸开左手，使大拇指与其余四指垂直且处于同一平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，若四指指向正电荷运动的方向，那么拇指所受的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向；若四指指向负电荷运动的反方向，那么拇指所指的方向就是负电荷所受洛伦兹力的方向。


【要使学生明确】 正电荷运动方向应与左手四指指向一致，负电荷运动方向则应与左手四指指向相反(先确定负电荷形成电流的方向，再用左手定则判定)。


eq \b\lc\ \rc\ (\a\vs4\al\c1(课堂练习))


①[投影出示练习题]——“问题与练习”1


②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。





[学生解答]


甲中正电荷所受的洛伦兹力方向向上。


乙中正电荷所受的洛伦兹力方向向下。


丙中正电荷所受的洛伦兹力方向垂直于纸面指向读者。


丁中正电荷所受的洛伦兹力的方向垂直于纸面指向纸里。


讨论B、v、F三者方向间的相互关系。如图所示。





甲 v与B垂直 乙 v与B不垂直


洛伦兹力与粒子运动方向、磁感应强度方向的关系


学生：F总垂直于B与v所在的平面。B与v可以垂直，可以不垂直。


(3)洛伦兹力的大小


现在我们来研究一下洛伦兹力的大小。通过“思考与讨论”，来推导公式F＝qvBsinθ时，应先建立物理模型(教材图3.5－3)，再循序渐进有条理地推导，这一个过程可放手让学生完成，体现学习的自主性。


也可以通过下面的命题引导学生一一回答。


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为B的磁场中。


[问题]这段导线中电流I的微观表达式是怎样的？让学生推导后回答。


[学生答]I的微观表达式为I＝nqSv


[问题]这段导体所受的安培力为多大？[学生答]F安＝BIL


[问题]这段导体中含有多少自由电荷数？


[学生答]这段导体中含有的电荷数为nLS。


[问题]每个自由电荷所受的洛伦兹力大小为多大？


[学生答]安培力可以看作是作用在每个运动电荷上的洛伦兹力F的合力，这段导体中含有的自由电荷数为nLS，所以F＝F安/nLS＝BIL/nLS＝nqvSLB/nLS＝qvB。


[问题]当运动电荷的速度v方向与磁感应强度B的方向不垂直时，设夹角为θ，则电荷所受的洛伦兹力大小为多大？


(4)洛伦兹力的计算公式


①当粒子运动方向与磁感应强度垂直时(v⊥B) F＝qvB


②当粒子运动方向与磁感应强度方向成θ时 F＝qvBsinθ


上两式各量的单位：


F为牛(N)，q为库伦(C)，v为米/秒(m/s)，B为特斯拉(T)


最后，通过“思考与讨论”，说明由洛伦兹力所引起的带电粒子运动的方向总是与洛伦兹力的方向相垂直的，所以它对运动的带电粒子总是不做功的。


eq \b\lc\ \rc\ (\a\vs4\al\c1(课堂练习))


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？


分析求解：F＝qvB＝1.60×10－19×3×106×0.10＝4.8×10－14 N


2．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


分析解答：B。地球表面地磁场方向由南向北，质子是氢原子核带正电，根据左手定则可判定，质子自赤道上空竖直下落过程中受洛伦兹力方向向东。


2．电视机显像管的工作原理


教师：引导学生阅读教材相关内容，思考并回答问题。电子束是怎样实现偏转的？


如图所示：





显像管原理示意图(俯视图)


问题1：要使电子打在A点，偏转磁场应该沿什么方向？


问题2：要使电子打在B点，偏转磁场应该沿什么方向？


问题3：要使电子打在荧火屏的位置从A点向B点逐渐移动，偏转磁场应该怎样变化？


答：1.要使电子打在A点，偏转磁场应该垂直纸面向外。2.要使电子打在B点，偏转磁场应该垂直纸面向里。3.要使电子打在荧光屏的位置从A点向B点逐渐移动，偏转磁场应该先垂直纸面向外并逐渐减小，然后垂直纸面向里并逐渐增大。


电子打在荧光屏上只能有一个亮点，为什么整个荧光屏都能发光？学生阅读教材，进一步了解显像管的工作过程。


最后让学生回忆“示波管的原理”，通过对比比较二者的差异。


3．实例探究


洛伦兹力的方向


例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


解析：根据左手定则，洛伦兹力垂直于B，也垂直于v，垂直于B与v所决定的平面，但B与v不一定垂直。


答案：B


例2如图所示的是磁感应强度B、正电荷速度v和磁场对电荷的作用力F三者方向的相互关系图(其中B垂直于F与v决定的平面，B、F、v两两垂直)。其中正确的是 ( )





答案：D


洛伦兹力的大小


例3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( )





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


解析：若电子从右向左飞入，电场力向上，洛伦兹力也向上，所以上偏，B正确。若电子从左向右飞入，电场力向上，洛伦兹力向下。由题意，对正电荷qE＝Bqv，与q无关，所以对电子二者也相等，所以电子从左向右飞，做匀速直线运动。


答案：BD


例4一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


解析：通电长螺线管内部的磁场方向始终与中轴线平行，带电粒子沿磁场方向运动时，不受洛伦兹力，所以一直保持原运动状态不变，正确答案是D。


答案：D


4．对本节内容作简要小结：学生先自我小结，分组展示相互补充，教师点评归纳。


5．布置作业：课本“问题与练习”3、4、5题。


eq \(\s\up7(),\s\d5(备课资料))


磁流体发电机


磁流体发电机，又叫等离子发电机，是根据霍尔效应，用导电流体与磁场相对运动而发电的一种设备。








磁流体发电，是将带电的流体(离子气体或液体)以极高的速度喷射到磁场中去，利用磁场对带电的流体产生的作用，从而发出电来。


最简单的开式磁流体发电机由燃烧室、发电通道和磁体组成。工作过程是在化石燃料燃烧后产生的高温气体中，加入易电离的钾盐或钠盐，使起部分电离后，经喷管加速产生高达摄氏3 000度、速度达到1 000米/秒的高温高速导电气体，最后产生电流。


磁流体发电中的带电流体，它们是通过加热燃料、惰性气体、碱金属蒸气而得到的。在几千摄氏度的高温下，这些物质中的原子和电子的运动都很剧烈，有些电子甚至可以脱离原子核的束缚，结果，这些物质变成自由电子、失去电子的离子以及原子核的混合物，这就是等离子体。将等离子体以超音速的速度喷射到一个加有强磁场的管道里面，等离子体中带有正、负电荷的高速粒子，在磁场中受到洛伦兹力的作用，分别向两极偏移，于是在两极之间产生电压，用导线将电压接入电路中就可以使用了。


磁流体发电的另一个好处是产生的环境污染少。利用火力发电，燃烧燃料产生的废气里含有大量的二氧化硫，这是造成空气污染的一个重要原因。利用磁流体发电，不仅使燃料在高温下燃烧得更加充分，它使用的一些添加材料还可以和硫化合，生成硫酸钾，并被回收利用，这就避免了直接把硫排放到空气中，对环境造成污染。


利用磁流体发电，只要加快带电流体的喷射速度，增加磁场强度，就能提高发电机的功率。人们使用高能量的燃料，再配上快速启动装置，就可以使发电机功率达到1 000万kW，这就满足了一些需要大功率电力的场合。目前，中国、美国、印度、澳大利亚以及欧洲共同体等，都积极致力于这方面的研究。


磁流体发电机产生电动势，输出电功率的原理如上图。


1959年，美国阿夫柯公司建造了第一台磁流体发电机，功率为115 kW。此后各国均有研究制造，美苏联合研制的磁流体发电机U25B在1978年8月进行了第四次试验，气体－等离子体流量为2～4 kg/s，温度为2 950 K，磁场为5 T，输出功率1 300 kW，共运行了50小时。目前许多国家正在研制百万千瓦的利用超导磁体的磁流体发电机。


现在磁流体发电机制造中的主要问题是发电通道效率低，目前只有10%。通道和电极的材料都要求耐高温、耐腐蚀等，目前所用材料的寿命都比较短，因而磁流体发电机不能长时间运行。