粵教版物理選修3-1三維設(shè)計(jì) 3.5研究洛倫茲力(可自主編輯)

1．洛倫茲力荷蘭物理學(xué)家洛倫茲于1895年發(fā)現(xiàn)了磁場(chǎng)對(duì)__________的作用力公式，人們稱這種力為洛倫茲力。[自讀教材·抓基礎(chǔ)]

第五節(jié)

研究洛倫茲力洛倫茲力的方向運(yùn)動(dòng)電荷2．陰極射線在陰極射線管中，從陰極發(fā)射出來(lái)的__________稱為陰極射線。3．實(shí)驗(yàn)結(jié)論(1)當(dāng)運(yùn)動(dòng)電荷的速度方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，運(yùn)動(dòng)電荷受到的洛倫茲力為_(kāi)_______。(2)當(dāng)運(yùn)動(dòng)電荷的速度方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，運(yùn)動(dòng)電荷受到的洛倫茲力的方向既與磁場(chǎng)方向________，又與速度方向__________。電子束零垂直垂直4．左手定則伸開(kāi)左手，使大拇指跟其余四個(gè)手指垂直，且處于同一平面內(nèi)，把手放入磁場(chǎng)中讓磁感線垂直穿入手心，四指指向?yàn)開(kāi)_________運(yùn)動(dòng)的方向，那么__________所指的方向就是正電荷所受洛倫茲力的方向。運(yùn)動(dòng)的負(fù)電荷在磁場(chǎng)中所受的洛倫茲力的方向跟沿相同方向運(yùn)動(dòng)的正電荷所受的力的方向__________。正電荷拇指相反洛倫茲力的方向與帶電粒子運(yùn)動(dòng)的方向存在什么關(guān)系？它對(duì)帶電粒子做功嗎？提示：二者方向垂直，洛倫茲力對(duì)帶電粒子不做功。[學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(想一想)

1．三個(gè)決定洛倫茲力方向的因素電荷的電性(正、負(fù))、速度方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向是決定洛倫茲力方向的三個(gè)要素。當(dāng)電性一定時(shí)，其他兩個(gè)因素決定洛倫茲力的方向，如果只讓一個(gè)因素相反，則洛倫茲力方向必定相反；如果同時(shí)讓兩個(gè)因素相反，則洛倫茲力方向?qū)⒉蛔儭跟隨名師·解疑難]

2．F、B、v三者方向間的關(guān)系電荷運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向間沒(méi)有因果關(guān)系，兩者關(guān)系是不確定的。電荷運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向確定洛倫茲力方向，F(xiàn)⊥B，F(xiàn)⊥v，即F垂直于B和v所決定的平面。3．洛倫茲力的特點(diǎn)洛倫茲力的方向隨電荷運(yùn)動(dòng)方向的變化而變化。但無(wú)論怎樣變化，洛倫茲力都與運(yùn)動(dòng)方向垂直，故洛倫茲力永不做功，它只改變電荷的運(yùn)動(dòng)方向，不改變電荷的速度大小。[特別提醒]

(1)洛倫茲力的方向由左手定則判斷，必須注意運(yùn)動(dòng)電荷是正電荷，v的方向就是電荷運(yùn)動(dòng)方向，如果是負(fù)電荷，v的方向跟電荷運(yùn)動(dòng)方向相反。(2)應(yīng)用左手定則時(shí)，當(dāng)v與B不垂直時(shí)，洛倫茲力仍垂直于v、B決定的平面，但磁感線不一定要垂直穿過(guò)掌心，磁感線方向一定與大拇指垂直，不一定與四指垂直。如圖所示，是表示磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B、正電荷運(yùn)動(dòng)方向v和磁場(chǎng)對(duì)電荷洛倫茲力F的相互關(guān)系圖，其中正確的是(B、v、F兩兩垂直)(

)解析：選D根據(jù)左手定則可判斷：A中電荷受力應(yīng)為向下；B中電荷受力應(yīng)為向右；C中電荷受力應(yīng)為向右；D中電荷受力正確。[學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手)

1．實(shí)驗(yàn)表明安培力可以看做是大量運(yùn)動(dòng)電荷所受洛倫茲力的__________。[自讀教材·抓基礎(chǔ)]

洛倫茲力的大小宏觀表現(xiàn)nqvSBnqvSLqvBqvB電荷在某一區(qū)域不受洛倫茲力，能否說(shuō)明該區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零？提示：不能。因?yàn)殪o止的電荷在磁場(chǎng)中不受洛倫茲力，電荷的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)也不受洛倫茲力。[學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(想一想)

(1)洛倫茲力是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力，洛倫茲力的大小不僅跟運(yùn)動(dòng)電荷的速度大小有關(guān)，還跟速度的方向有關(guān)。1)當(dāng)v和B平行時(shí)，洛倫茲力f＝0；2)當(dāng)v和B垂直時(shí)，洛倫茲力最大為f＝Bqv；3)當(dāng)v和B的夾角為θ時(shí)，把速度v分解為沿與B平行的分量v∥和與B垂直的分量v⊥，f＝Bqv⊥＝Bqvsinθ。(2)洛倫茲力實(shí)際上是磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體作用的微觀表現(xiàn)，即F安＝nf(n為通電導(dǎo)體中自由電荷的總數(shù))。[跟隨名師·解疑難]

[特別提醒]

盡管安培力是自由電荷定向移動(dòng)時(shí)受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)，但不能認(rèn)為安培力就簡(jiǎn)單地等于所有定向移動(dòng)電荷所受洛倫茲力的和，一般只有當(dāng)導(dǎo)體靜止時(shí)才能這樣認(rèn)為。在圖3－5－1所示的各圖中，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，帶電荷量均為q。試求出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。[學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手)

圖3－5－1

解析：甲：因v與B垂直，所以f＝qvB，方向與v垂直斜向上。乙：v與B的夾角為30°，f＝qvBsin30°＝qvB/2，方向垂直紙面向里。丙：由于v與B平行，所以不受洛倫茲力。?。阂騰與B垂直，f＝qvB，洛倫茲力方向與v垂直斜向上。答案：見(jiàn)解析1．如圖3－5－2所示，在陰極射線管正下方平行放置一根通有足夠強(qiáng)直流電流的長(zhǎng)直導(dǎo)線，且導(dǎo)線中電流方向水平向右，則陰極射線將會(huì)(

)A．向上偏轉(zhuǎn)

B．向下偏轉(zhuǎn)C．向紙內(nèi)偏轉(zhuǎn)

D．向紙外偏轉(zhuǎn)[典題例析]

洛倫茲力方向的判定圖3－5－2

[解析]

本題首先需要判斷通電直導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)情況，再由左手定則判斷電子受力方向。題目設(shè)置巧妙，靈活考查了左手定則對(duì)電子所受力方向的判斷。在陰極射線管所在位置處，直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向垂直紙面向外，由左手定則可以判斷陰極射線中的電子受力方向向上，故選A。[答案]

A陰極射線是電子流，電子帶負(fù)電。判斷運(yùn)動(dòng)的負(fù)電荷在磁場(chǎng)中所受洛倫茲力可用以下兩種思路分析：①根據(jù)左手定則判斷出假設(shè)為正電荷的受力方向，而負(fù)電荷與正電荷受力方向相反；②應(yīng)用左手定則將四指指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)相反的方向，則拇指的指向即為負(fù)電荷的受力方向。[探規(guī)尋律]2．試判斷圖3－5－3中各帶電粒子所受洛倫茲力的方向或帶電粒子的帶電情況。解析：根據(jù)左手定則可判斷。答案：甲：豎直向上，乙：垂直紙面向外；丙：粒子帶負(fù)電荷；?。捍怪奔埫嫦蚶?。[跟蹤演練]

圖3－5－3

1．一初速度為零的質(zhì)子(質(zhì)量m＝1.67×10－27kg，電荷量q＝1.6×10－19C)，經(jīng)過(guò)電壓為1880V的電場(chǎng)加速后，垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為5.0×10－4T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，質(zhì)子所受的洛倫茲力是多大？[典題例析]

洛倫茲力大小的計(jì)算[答案]

4.8×10－17N解析：選D由公式f＝qBv可知，當(dāng)B變?yōu)樵瓉?lái)的2倍時(shí)，洛倫茲力增大為原來(lái)的2倍，選項(xiàng)D正確。[跟蹤演練]

洛倫茲力考查角度多，因而涉及洛倫茲力的題目往往較為綜合，解題時(shí)應(yīng)注意以下三點(diǎn)：(1)首先確定研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析，注意帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，若速度方向與磁場(chǎng)方向不平行，則受洛倫茲力。(2)根據(jù)已知條件，結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，列方程求解。(3)若涉及能量，可根據(jù)動(dòng)能定理或能量守恒定律，列方程求解，同時(shí)注意洛倫茲力始終與帶電粒子速度方向垂直，因而對(duì)帶電粒子不做功。帶電粒子在洛倫茲力作用下的運(yùn)動(dòng)分析1．如圖3－5－4所示，表面粗糙的斜面固定于地面上，并處于方向垂直紙面向外、強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。質(zhì)量為m、帶電量為＋Q的小滑塊從斜面頂端由靜止下滑，在滑塊下滑的過(guò)程中，下列判斷正確的是(

)[典題例析]圖3－5－4

[答案]

C帶電粒子在洛倫茲力作用下運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的分析方法和思路(1)正確進(jìn)行受力分析，受力分析時(shí)應(yīng)注意重力是否考慮，電子、質(zhì)子等一般不計(jì)重力，帶電小球、塵埃、液滴等帶電物體一般要考慮重力。(2)由受力情況分析帶電物體的運(yùn)動(dòng)情況。(3)靈活選擇不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。①當(dāng)帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，粒子受力必然平衡，由平衡條件列方程求解。②對(duì)于臨界問(wèn)題，注意挖掘隱含條件。[探規(guī)尋律]2．(多選)如圖3－5－5所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向豎直向下，磁場(chǎng)中有光滑的水平桌面，在桌面上平放著內(nèi)壁光滑、底部有帶電小球的試管。在水平拉力F作用下，試管向右勻速運(yùn)動(dòng)，帶電小球能從試管口處飛出，則(

)A．小球帶負(fù)電B．小球的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條拋物線C．洛倫茲力對(duì)小球做正功D．維持試管勻速運(yùn)動(dòng)的拉力F應(yīng)逐漸增大[跟蹤演練]

圖3－5－