2018版高中物理 第6章 磁場(chǎng)對(duì)電流和運(yùn)動(dòng)電荷的作用 第2節(jié) 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用學(xué)案 魯科版選修3-1

第2節(jié)　磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力．(重點(diǎn)) 2.知道什么是洛倫茲力，能計(jì)算洛倫茲力的大小，會(huì)判斷洛倫茲力的方向．(重點(diǎn)) 3.知道洛倫茲力與安培力之間的關(guān)系，能從安培力的計(jì)算公式推導(dǎo)出洛倫茲力的計(jì)算公式．(難點(diǎn)) 磁 場(chǎng) 對(duì) 運(yùn) 動(dòng) 電 荷 有 作 用 嗎 1．磁場(chǎng)對(duì)靜止電荷的作用 ―→ ↓ ―→ 2．磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用 1．靜止的帶電粒子在磁場(chǎng)中也要受到磁場(chǎng)的作用．(×) 2．帶電粒子只要在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，就一定會(huì)受到磁場(chǎng)的作用力．(×) 電子流在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)說(shuō)明了什么問(wèn)題？ 【提示】　磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用． 從 安 培 力 到 洛 倫 茲 力 1．洛倫茲力 (1)定義：磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力． (2)與安培力的關(guān)系：安培力是大量運(yùn)動(dòng)電荷受到洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)． 2．洛倫茲力的計(jì)算公式 (1)如果帶電粒子速度方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直，f＝qvB. (2)如果電荷運(yùn)動(dòng)的方向與磁場(chǎng)方向夾角為θ，f＝qvBsin_θ. 3．左手定則：伸開(kāi)左手，拇指與其余四指垂直，且處于同一平面內(nèi)，讓磁感線垂直穿過(guò)手心，四指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向，那么拇指所指的方向就是正電荷所受洛倫茲力的方向． 1．電荷垂直磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，洛倫茲力最小，平行磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)洛倫茲力最大．(×) 2．洛倫茲力始終與帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向垂直，故洛倫茲力永遠(yuǎn)不做功．(√) 3．洛倫茲力在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中一般是變力，而電場(chǎng)力在勻強(qiáng)電場(chǎng)中是恒力．(√) 怎樣判斷負(fù)電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)受洛倫茲力的方向？ 【提示】　負(fù)電荷在磁場(chǎng)中受力的方向與正電荷受力的方向相反，利用左手定則時(shí)四指應(yīng)指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向． 如圖6­2­1所示，直導(dǎo)線長(zhǎng)為L(zhǎng)，導(dǎo)線中單位體積電荷數(shù)為n，橫截面積為S，電荷的電量為q，運(yùn)動(dòng)速度為v，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B. 圖6­2­1 探討1：導(dǎo)線中的電流是多少？導(dǎo)線所受的安培力多大？ 【提示】　I＝nqSv；F＝BIL＝nqSvBL. 探討2：每個(gè)自由電荷所受洛倫茲力是多少？ 【提示】　F洛＝＝＝qvB. 1．洛倫茲力與安培力的區(qū)別和聯(lián)系 (1)區(qū)別：①洛倫茲力是指單個(gè)運(yùn)動(dòng)帶電粒子所受的磁場(chǎng)力，而安培力是指通電直導(dǎo)線所受到的磁場(chǎng)力． ②洛倫茲力永遠(yuǎn)不做功，而安培力可以做功． (2)聯(lián)系：①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解釋． ②大小關(guān)系：F安＝NF洛(N是導(dǎo)體中定向運(yùn)動(dòng)的電荷數(shù)) ③方向關(guān)系：洛倫茲力與安培力的方向均可用左手定則進(jìn)行判斷． 2．洛倫茲力的計(jì)算公式：F＝qvBsin θ(θ為v與B的夾角) (1)當(dāng)v＝0時(shí)，F(xiàn)＝0，即靜止電荷在磁場(chǎng)中受到的作用力一定為0； (2)當(dāng)θ＝0°或θ＝180°時(shí)，F(xiàn)＝0，即帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向互相平行時(shí)，不受洛倫茲力； (3)當(dāng)θ＝90°時(shí)，F(xiàn)＝qvB，此時(shí)洛倫茲力最大． 1．(多選)下列說(shuō)法正確的是(　　) A．所有電荷在電場(chǎng)中都要受到電場(chǎng)力的作用 B．所有電荷在磁場(chǎng)中都要受到洛倫茲力的作用 C．一切運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中都要受到洛倫茲力的作用 D．運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中，只有當(dāng)垂直于磁場(chǎng)方向的速度分量不為零時(shí)，才受到洛倫茲力的作用 【解析】　電荷在電場(chǎng)中受電場(chǎng)力F＝qE，不管運(yùn)動(dòng)還是靜止都一樣，故A對(duì)；電荷在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)不平行時(shí)則一定受洛倫茲力作用． 【答案】　AD 2．關(guān)于帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．帶電粒子沿電場(chǎng)線射入，電場(chǎng)力對(duì)帶電粒子做正功，粒子動(dòng)能一定增加 B．帶電粒子垂直于電場(chǎng)線方向射入，電場(chǎng)力對(duì)帶電粒子不做功，粒子動(dòng)能不變 C．帶電粒子沿磁感線方向射入，洛倫茲力對(duì)帶電粒子做正功，粒子動(dòng)能一定不變 D．不管帶電粒子怎樣進(jìn)入磁場(chǎng)，洛倫茲力對(duì)帶電粒子都不做功，粒子動(dòng)能不變 【解析】　帶電粒子在電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力F＝qE，只與電場(chǎng)有關(guān)，與粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，功的正負(fù)由θ角(力與位移方向的夾角)決定，對(duì)選項(xiàng)A，只有粒子帶正電時(shí)才成立，A錯(cuò)誤．垂直射入勻強(qiáng)電場(chǎng)的帶電粒子，不管帶電性質(zhì)如何，電場(chǎng)力都會(huì)做正功，動(dòng)能增加，B錯(cuò)．帶電粒子沿磁感線方向射入，不受洛倫茲力作用，粒子做勻速直線運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力不做功，C錯(cuò)．不管帶電粒子怎樣進(jìn)入磁場(chǎng)，由于洛倫茲力方向始終與速度方向垂直，故洛倫茲力對(duì)帶電粒子始終不做功，粒子動(dòng)能不變，D正確． 【答案】　D 3．關(guān)于電荷在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)速度、磁場(chǎng)和電荷受到的洛倫茲力三者之間的方向關(guān)系，其中正確的是(　　) 【解析】　根據(jù)左手定則，A中電荷所受洛倫茲力方向向下，A正確；B中電荷所受洛倫茲力方向向下，B錯(cuò)誤；C中電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向平行，不受洛倫茲力，C錯(cuò)誤；D中電荷所受洛倫茲力方向垂直紙面向外，D錯(cuò)誤． 【答案】　A 4．如圖6­2­2所示，各圖中勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度均為B，帶電粒子的速率均為v，所帶電荷量均為q，試求出各圖中帶電粒子所受洛倫茲力的大小，并標(biāo)出洛倫茲力的方向． 圖6­2­2 【解析】　甲：因?yàn)関與B垂直，所以F＝qvB，方向與v垂直斜向左上方，如圖． 乙：v與B的夾角為30°，v取與B的垂直分量，則F＝qvBsin 30°＝qvB，方向垂直紙面向里，圖略． 丙：由于v與B平行，所以帶電粒子不受洛倫茲力，圖略． 丁：因?yàn)関與B垂直，所以F＝qvB，方向與v垂直斜向左上方，如圖． 【答案】　見(jiàn)解析 5．質(zhì)量為0.1 g的小物塊，帶有5×10－4 C的電荷量，放在傾角為30°的絕緣光滑斜面上，整個(gè)斜面置于0.5 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向如圖6­2­3所示，物塊由靜止開(kāi)始下滑，滑到某一位置時(shí)，物塊開(kāi)始離開(kāi)斜面(設(shè)斜面足夠長(zhǎng)，g取10 m/s2)，問(wèn)： 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：34022033】 圖6­2­3 (1)物塊帶電性質(zhì)如何？ (2)物塊離開(kāi)斜面時(shí)的速度為多少？ (3)物塊在斜面上滑行的最大距離是多少？ 【解析】　(1)由左手定則可知物塊帶負(fù)電荷． (2)當(dāng)物塊離開(kāi)斜面時(shí)，物塊對(duì)斜面壓力為0，受力如圖所示，則qvB－mgcos 30°＝0，解得v＝3.46 m/s. (3)由動(dòng)能定理得mgsin 30°·L＝mv2，解得物塊在斜面上滑行的最大距離L＝1.2 m. 【答案】　(1)負(fù)電　(2)3.46 m/s(3)1.2 m 1．電荷在電場(chǎng)中一定受電場(chǎng)力的作用． 2．靜止的電荷在磁場(chǎng)中一定不受磁場(chǎng)力的作用． 3．運(yùn)動(dòng)的電荷在磁場(chǎng)中可能不受磁場(chǎng)力的作用，例如當(dāng)運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)． 4．安培力可以做正功，也可以做負(fù)功． 5．洛倫茲力在任何時(shí)候都不做功． 5