高中物理教科版 (2019)选择性必修 第二册3 洛伦兹力教学演示课件ppt

这是一份高中物理教科版 (2019)选择性必修 第二册3 洛伦兹力教学演示课件ppt，共56页。PPT课件主要包含了目录索引，运动电荷，宇宙射线，正电荷，反方向，qvB，匀速直线等内容，欢迎下载使用。
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
学以致用·随堂检测全达标
一、初识洛伦兹力1.定义　　　　　在磁场中受到的磁场力。 2.应用(1)在传统的电视显像管中利用特殊线圈产生的　　　　控制电子偏转、扫描出画面; (2)使　　　　　发生偏转,向地球两极聚集。 
二、洛伦兹力的方向左手定则:伸出左手,四指并拢,使大拇指和其余四指　　　　,并且都跟手掌在同一平面内,让磁感线垂直穿过手心,四指指向　　　　　　的运动方向(即电流方向),则大拇指所指的方向就是　　　　　　所受洛伦兹力的方向。 垂直于B与v所决定的平面 若在磁场中运动的为带负电的粒子,应用左手定则时,四指应指向该粒子运动方向的　　　　。 
三、洛伦兹力的大小(1)v∥B时,F洛=　　。 (2)v⊥B时,F洛=　　　。 (3)v与B的夹角为θ时,F洛=qvBsin θ。
四、带电粒子在匀强磁场中的运动1.运动轨迹带电粒子(不计重力)以一定的速度v进入磁感应强度为B的匀强磁场时:(1)当v∥B时,带电粒子做　　　　　　　　运动。 (2)当v⊥B时,带电粒子做匀速圆周运动。(3)当v与B的夹角为θ(θ≠90°)时,带电粒子做螺旋运动。
2.带电粒子在磁场中做圆周运动的半径和周期(1)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径。带电粒子垂直进入匀强磁场中,只受洛伦兹力,洛伦兹力提供带电粒子做匀速圆周运动所需的向心力,由(2)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期。 , 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期与运动速度、半径无关。
情境链接如图所示,太阳发射出的带电粒子以300~1 000 km/s的速度扫过太阳系,形成了“太阳风”。这种巨大的辐射经过地球时,地球的磁场使这些带电粒子发生偏转,避免了地球上的生命受到带电粒子的辐射。当“太阳风”的带电粒子被地磁场拉向两极时,带电粒子的轨迹为什么呈螺旋形?
提示 “太阳风”是带电高速粒子流,垂直射向地球的磁场时,会受到洛伦兹力的作用而发生偏转,绕地球运动;在地球高纬度地方,“太阳风”与地磁场夹角较小,顺着磁场做匀速运动,垂直磁场做圆周运动,从而呈螺旋形被拉向地球两极。
教材拓展阅读教材P18“发展空间”——《霍尔效应》。回答问题。如图所示,将长为l、高为h、宽为d的导体(自由电荷是电子或正电荷)置于匀强磁场B中,当电流通过导体时,在导体的上表面A与下表面A'之间产生电势差,对照教材内容,这种现象是霍尔效应吗?霍尔效应有哪些应用?
提示 这个现象是霍尔效应。利用霍尔效应可以制成多种测量器件,如测量磁感应强度的特斯拉计、测量电流的电流计、测量电功率的瓦特计,测量磁场方向的磁罗盘等。
易错辨析(1)同一电荷,以相同大小的速度进入磁场,速度方向不同时,洛伦兹力的大小也可能相同。(　　)(2)判断电荷所受洛伦兹力的方向时,应同时考虑电荷的电性。 (　　)(3)电子在匀强磁场中做匀速圆周运动,速率越大,周期越大。(　　)(4)带电粒子以一定速度垂直射入匀强磁场,若只考虑洛伦兹力,则粒子的加速度不变。(　　) 
探究点一　洛伦兹力的方向
观察阴极射线在磁场中的偏转。把阴极射线管放入磁场中的情形如图所示,电子束偏转方向是怎样的?如果把通有与电子运动方向相同的电流的导线放入该位置,则所受安培力的方向怎样?
提示 电子束向下偏转;通电导线所受安培力方向向上。
1.决定洛伦兹力方向的因素电荷的电性(正、负)、速度方向、磁场的方向是决定洛伦兹力方向的三个因素。2.F、B、v三者方向间的关系电荷运动方向和磁场方向间没有因果关系,两者关系是不确定的。电荷运动方向和磁场方向确定洛伦兹力方向,F⊥B,F⊥v,即F垂直于B和v所决定的平面。3.洛伦兹力不做功洛伦兹力方向始终与电荷运动的方向垂直,故洛伦兹力对运动电荷不做功,它只改变电荷速度的方向,不改变电荷速度的大小。
特别提示　(1)在用左手定则判断运动的电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向时,对于正电荷,四指指向电荷的运动方向;但对于负电荷,四指应指向电荷运动的反方向。不要误以为四指总是指向电荷的运动方向。(2)电荷运动的速度方向和磁场方向不一定垂直,但洛伦兹力一定垂直于磁场方向和速度方向。
【例1】 (2023重庆九龙坡高二期末)如图所示,在正方体的四条沿y轴方向的棱上,分别固定四根通有等大电流I0的等长导线,正方体的中心点P处有不断沿各个方向喷射带正电粒子的粒子源。关于粒子刚被喷出时所受到的洛伦兹力方向,下列说法正确的是(　　)
A.初速度方向沿x轴正方向,其所受的洛伦兹力方向沿z轴正方向B.初速度方向沿x轴正方向,其所受的洛伦兹力方向沿y轴正方向C.初速度方向沿y轴正方向,其所受的洛伦兹力方向沿z轴负方向D.初速度方向沿y轴正方向,其所受的洛伦兹力方向沿x轴正方向
解析 根据四根导线电流方向,结合右手螺旋定则可知,四根导线在P处产生的合磁场方向沿z轴正方向,正电粒子初速度方向沿x轴正方向时,根据左手定则可知,其所受的洛伦兹力方向沿y轴负方向,故A、B错误;正电粒子初速度方向沿y轴正方向时,根据左手定则可知,其所受的洛伦兹力方向沿x轴正方向,故C错误,D正确。
对点演练1(2023广东广州高二期末)下列图中表示磁场、运动电荷速度和洛伦兹力的方向正确的是(　　)
解析 图A中正电荷运动速度方向与磁场方向平行,电荷所受洛伦兹力为0,A错误;图B中负电荷运动速度方向与磁场方向平行,电荷所受洛伦兹力为0,B错误;图C中正电荷运动速度方向与磁场方向垂直,根据左手定则,可知电荷所受洛伦兹力方向向上,C错误;图D中负电荷运动速度方向与磁场方向垂直,根据左手定则,可知电荷所受洛伦兹力方向向右,D正确。
探究点二　洛伦兹力的大小
如图所示,将图示导线放在磁感应强度为B的匀强磁场中,电流方向垂直于磁场方向,导线所受安培力大小为F安,导线内自由电子所受洛伦兹力的矢量和在宏观上表现为安培力,请你尝试由安培力的表达式推导出洛伦兹力的表达式。
提示 导线受到的安培力F安=BIL,设电子定向移动的速度为v,通过导体横截面自由电子个数N=nSvt,通过导线的电流为I=neSv,且L=vt,洛伦兹力的矢量和在宏观上表现为安培力,则洛伦兹力
1.对公式F洛=qvB的理解(1)适用条件:运动电荷的速度方向与磁场方向垂直,相对磁场静止的电荷不受洛伦兹力作用。(2)常见情况。①当v⊥B时,F洛=qvB,即运动方向与磁场方向垂直时,洛伦兹力最大。②当v∥B时,F洛=0,即运动方向与磁场方向平行时,不受洛伦兹力。③当v与B夹角为θ(θ≠90°)时,F洛=qvBsin θ。
2.洛伦兹力与安培力的区别和联系
【例2】 下列各图的匀强磁场的磁感应强度均为B,带电粒子的速率均为v,所带电荷量均为q。求出各图带电粒子所受洛伦兹力的大小,并指出洛伦兹力的方向。
qvB　垂直于v指向左上方
qvB　垂直于纸面向里
解析 (1)因v⊥B,所以F1=qvB,方向垂直于v指向左上方。(2)v与B的夹角为30°,将v分解成垂直于磁场的分量和平行于磁场的分量,v⊥=vsin 30°,F2=qvBsin 30°= qvB,方向垂直于纸面向里。(3)由于v与B平行,所以F3=0。(4)v与B垂直,F4=qvB,方向垂直于v指向左上方。
对点演练2若一电子运动的速率v0=3.0×106 m/s,匀强磁场的磁感应强度B=0.1 T,请分别计算在如图所示的各种情况下该电子受到的洛伦兹力的大小,并在图中标明或说明洛伦兹力的方向。(图中θ=30°)
答案 0　4.8×10-14 N　4.8×10-14 N　4.8×10-14 N　2.4×10-14 N　图像见解析解析 图A电子运动方向与磁场平行,不受洛伦兹力,即FA=0;图B电子运动方向与磁场垂直,洛伦兹力FB=Bev0=4.8×10-14 N,根据左手定则,洛伦兹力方向垂直纸面向外;图C电子运动方向与磁场垂直,洛伦兹力FC=Bev0=4.8×10-14 N,根据左手定则,洛伦兹力方向竖直向下;
图D电子运动方向与磁场垂直,洛伦兹力FD=Bev0=4.8×10-14 N,根据左手定则,洛伦兹力方向垂直运动方向向上;图E电子运动方向与磁场方向有夹角,洛伦兹力FE=Bev0sin θ=2.4×10-14 N,根据左手定则,洛伦兹力方向垂直纸面向外。
探究点三　与洛伦兹力相关的带电体问题
如图所示,一根足够长的光滑绝缘杆MN与水平面的夹角为37°,固定在竖直平面内,磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场充满杆所在的空间,杆与磁场方向垂直。质量为m的带电小环沿杆下滑到图中的P处时,对杆有垂直杆向下的压力作用,压力大小为0.4mg。已知小环的电荷量为-q(q>0),重力加速度大小为g,sin 37°=0.6,则小环滑到P处时的速度大小vP是多少?
提示 以小环为研究对象,垂直杆方向根据受力平衡可得N+qvPB=mgcs 37°
与洛伦兹力相关的带电体问题的分析思路正确进行受力分析,当带电体的速率v变化时,洛伦兹力F的大小随之改变,因此带电体在运动过程中的受力情况是动态变化的。洛伦兹力F的变化影响带电体所受的合力,合力变化又引起加速度变化,加速度变化又影响速度变化。(1)确定带电体的运动状态,注意运动情况和受力情况的结合。(2)灵活选择不同的运动规律。①当带电体在复合场中做匀速直线运动时,带电体受力必然平衡,由平衡条件列方程求解。②对于临界问题,注意挖掘隐含条件。
【例3】 如图所示,表面粗糙的斜面固定于地面上,并处于方向垂直纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场中。质量为m、电荷量为+Q的滑块从斜面顶端由静止下滑。在滑块下滑的过程中,下列判断正确的是(　　)A.滑块受到的摩擦力不变B.滑块到达地面时的动能与B的大小无关C.滑块受到的洛伦兹力方向垂直斜面向下D.当B很大时,滑块可能静止在斜面上
解析 根据左手定则可知,滑块受到的洛伦兹力垂直斜面向下,C正确。随着滑块速度的变化,洛伦兹力大小发生变化,滑块对斜面的压力大小发生变化,故滑块受到的摩擦力大小发生变化,A错误。B越大,滑块受到的洛伦兹力越大,受到的摩擦力也越大,摩擦力做功越多,根据动能定理,滑块到达地面时的动能就越小,B错误。由于开始时滑块静止,不受洛伦兹力,此时滑块开始下滑,故B再大,滑块也不可能静止在斜面上,D错误。
对点演练3(多选)(2023黑龙江绥化高二期中)如图所示,a为带正电的小物块,b为一不带电的绝缘物块(设a、b间无电荷转移),a、b叠放在粗糙的水平地面上,地面上方有垂直纸面向里的匀强磁场。若用水平恒力F拉b物块,使a、b一起无相对滑动地向左加速运动,在加速运动阶段(　　)A.a对b的压力不变B.a对b的压力变大C.a、b间的摩擦力变小D.a、b间的摩擦力变大
解析 对a受力分析,受到重力、支持力、摩擦力以及洛伦兹力,其中支持力等于重力和洛伦兹力之和,即Nba=mag+qvB,因为a向左做加速运动,所以洛伦兹力变大,故支持力变大,由牛顿第三定律知,a对b的压力变大,A错误,B正确;将a、b看成一个整体受力分析,得到F-f地=(ma+mb)a,其中f地=μ[(ma+mb)g+qvB],故整体的加速度在减小,而对于a,a、b间的摩擦力为静摩擦力,则fba=maa,加速度在减小,故a、b间的摩擦力减小,C正确,D错误。
探究点四　带电粒子在匀强磁场中的运动问题
(1)给励磁线圈通电,观察电子束的径迹,运动的带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的向心力由谁提供?(2)保持入射电子的速度不变,增加磁感应强度,电子束径迹有什么变化?(3)保持磁感应强度不变,增加出射电子的速度,电子束径迹有什么变化?
提示 (1)洛伦兹力。(2)半径减小。(3)半径变大。
带电粒子在匀强磁场中的运动问题的分析方法“三定”,即一定圆心,二定半径,三定圆心角。(1)圆心的确定:因为洛伦兹力始终与电荷运动方向垂直,洛伦兹力为粒子做圆周运动提供了向心力,总是指向圆心。在实际问题中,圆心位置的确定极为重要,通常有两种方法。①画出粒子运动中的任意两点(一般是射入和射出磁场的两点)的洛伦兹力的方向,其延长线的交点即为圆心,如图甲所示。
②通过入射点或出射点作速度方向的垂线,再连接入射点和出射点作线段,最后作线段的中垂线,这两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心,如图乙所示。
(2)求轨道半径的方法。①根据半径公式 求解。②根据几何知识求解,如图丙所示。若已知出射点相对于入射点侧移距离为x,磁场的宽度为d,则满足r2=d2+(r-x)2。若已知出射速度方向与水平方向的夹角为θ,磁场的宽度为d,则
(3)圆心角的确定:确定圆心角时,常用角度关系,如图丁所示。
①速度的偏向角φ等于圆心角θ。②圆心角θ等于弦切角α的2倍。③相对的弦切角相等;相邻的弦切角互补,即α+α'=180°。④进出同一直边界时速度方向与该边界的夹角相等,如图戊所示。
(4)求运动时间的方法。①利用圆心角求解,若求出这部分圆弧对应的圆心角,则t= T。②利用弧长s和速度v求解,则t= 。
【例4】 (多选)(2023重庆高二期末)如图所示,虚线上方空间分布着垂直纸面向里的匀强磁场,在纸面内粒子源O沿不同的方向先后发射速率均为v的C和D两个粒子,C、D均带正电且电荷量相同,D的质量是C的质量的2倍,两个粒子同时到达P点。已知OP=L,D粒子沿与虚线成30°角的方向发射,不计粒子的重力和粒子间的相互作用力,则下列说法正确的是(　　)A.C粒子沿与PO成30°角的方向发射B.C、D两粒子在磁场中运动的半径之比为1∶2C.C、D两粒子在磁场中运动的时间之比为3∶10D.C粒子和D粒子发射的时间间隔为
解析 带电粒子在磁场中运动,由洛伦兹力提供向心力有 ,解得r= ,由于C、D电荷量相同,发射速率相同,D的质量是C的质量的2倍,可知C、D两粒子在磁场中运动的半径之比为 ,如图所示,对于D粒子而言,根据其在磁场中运动的轨迹,结合几何关系得其轨迹对应的圆心角为300°,则D粒子做匀速圆周运动的轨迹半径为rD=L,则C粒子做圆周运动的轨迹半径为 ,可知OP为C粒子做匀速圆周运动的直径,C粒子沿与PO成90°角的方向发射,故A错误,B正确;
方法技巧　“三步法”处理带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动
对点演练4(2023湖北武汉高二期末)比荷 相等的带电粒子M和N,以不同的速率经过小孔S垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场,两带电粒子运动的半圆轨迹如图中虚线所示,下列说法正确的是(　　)A.N带负电,M带正电B.N的速率大于M的速率C.N在磁场中运动的时间等于M在磁场中运动的时间D.N受到的洛伦兹力一定等于M受到的洛伦兹力
解析 根据左手定则,N粒子带正电,M粒子带负电,故A错误;带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力有qvB= ,可得r= ,由于两粒子的比荷相等,可知粒子做圆周运动的半径与粒子速度成正比,由题图可知,M粒子做圆周运动的半径比N粒子做圆周运动的半径大,则M粒子的速率比N粒子的速率大,故B错误;根据匀速圆周运动速度与周期的关系T= ,可得T= ,由于两粒子的比荷相等,故两粒子做圆周运动的周期相同,由题图可知,两粒子在磁场中做圆周运动的圆心角相同,则两粒子在磁场中运动的时间相等,故C正确;粒子在磁场中受洛伦兹力的大小为F=qvB,在同一磁场,B相同,根据以上分析可知M粒子的速率比N粒子的速率大,已知比荷相等,并不知道两粒子电荷量的大小关系,则不能确定两粒子所受洛伦兹力的大小关系,故D错误。
1.(洛伦兹力的理解)关于安培力和洛伦兹力,下列说法错误的是(　　)A.安培力是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现B.安培力和洛伦兹力的方向都一定与磁场方向垂直C.安培力一定会做功,洛伦兹力一定不做功D.安培力和洛伦兹力的方向都可以应用左手定则进行判断
解析 安培力是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现,A正确,不符合题意;根据左手定则,安培力与洛伦磁力总是垂直于磁场方向,则安培力和洛伦兹力的方向都一定与磁场方向垂直,B正确,不符合题意;安培力可以做功,洛伦兹力一定不做功,C错误,符合题意;安培力和洛伦兹力的方向都可以应用左手定则进行判断,D正确,不符合题意。故选C。
2.(洛伦兹力的大小)两带电粒子以相同的速度垂直磁感线方向进入同一匀强磁场,两带电粒子质量之比为1∶4,电荷量之比为1∶2,则两带电粒子所受洛伦兹力之比为(　　)A.2∶1B.1∶1C.1∶2D.1∶4
解析 带电粒子的速度方向与磁感线方向垂直时,洛伦兹力F=qvB,与电荷量成正比,与质量无关,C项正确。
3.(带电粒子在匀强磁场中的运动问题)(2023辽宁营口高二期末)如图所示,圆心为O、半径为R的圆形区域内,有垂直于圆面向里的匀强磁场。从圆上的P点沿PO方向,先后射入甲、乙两个比荷相同的粒子,甲粒子从M点离开磁场,乙粒子从N点离开磁场。已知磁场的磁感应强度大小为B,MN为圆的直径,∠POM=60°,粒子重力不计,下列说法正确的是(　　)A.甲粒子带负电B.乙粒子的速度是甲粒子的2倍C.乙粒子在磁场中运动的时间是甲粒子的2倍D.若磁感应强度大小变为3B,乙粒子在磁场中的运动时间变为原来的
解析 如图所示,甲粒子向上偏转,根据左手定则判断可知甲粒子带正电,乙粒子带负电,A错误;画出两粒子的运动轨迹,如图所示,由几何关系可知r1=Rtan 30°= V R,r2=Rtan 60°= R,所以半径之比 ,根据洛伦兹力提供向心力有 ,B错误;两粒子
比荷相同,根据 可知,周期相同,甲、乙转过的圆心角之比为120°∶60°=2∶1,则甲、乙在磁场中运动的时间之比为2∶1,C错误;若磁感应强度变为3B,乙粒子运动的轨道半径变为原来的 ,即变为r1= R,则乙粒子运动的轨迹与甲关于PO对称,即在磁场中转过的角度为120°,但是因周期变为原来的 ,则运动时间变为原来的 ,D正确。
4.(与洛伦兹力相关的带电体问题)(2023陕西西安庆安高级中学高二期末)如图所示,在垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场中,质量为m、电荷量为+q的小球穿在足够长的水平固定绝缘的直杆上处于静止状态,小球与杆间的动摩擦因数为μ。现对小球施加水平向右的恒力F0,在小球从静止开始至速度最大的过程中,下列说法正确的是(　　)A.直杆对小球的弹力方向不变B.直杆对小球的摩擦力一直减小
解析 竖直方向根据平衡条件有mg=qvB+N,初始时,洛伦兹力为零,直杆对小球的弹力方向向上,此时小球做加速运动,必然有F0>μmg,速度达到最大时,摩擦力与恒力F0平衡,此时弹力必然大于重力,洛伦兹力必然大于重力,有F0=μ(qvB-mg),直杆对小球的弹力方向向下,故A错误;小球开始运动时有F0-μ(mg-qvB)=ma,随v增大,a增大,当v= 时,a达最大值 ,摩擦力f=μ(mg-qvB)减小,此后随着速度增大,洛伦兹力增大,支持力反向增大,此后运动过程中有F0-μ(qvB-mg)=ma,随v增大,a减小,摩擦力增大,故B错误,C正确;当F0=μ(qvB-mg)时,达到平衡状态,速度最大,最大速度vm= ,故D错误。
5.(带电粒子在匀强磁场中的运动)如图所示,一束电子(电荷量为e)以速度v由A点垂直射入磁感应强度为B、宽度为d的有界匀强磁场中,在C点穿出磁场时的速度方向与电子原来的入射方向成30°角,则电子的质量是多少?电子穿过磁场的时间是多少?