中學(xué)物理體例洛倫茲力

磁場對運動電荷的作用力洛倫茲力北京市陳經(jīng)綸中學(xué)中學(xué)物理高中二年級選修3-1物理19第3課主講人吳愛兄

極光是如何產(chǎn)生的？

簡單的說極光是太陽的帶電粒子到達(dá)地球附近，會受到地球磁場的作用力迫使其中一部分沿著磁場線集中到南北兩極。

當(dāng)他們進(jìn)入極地的高層大氣時，與大氣中的原子和分子碰撞并激發(fā)產(chǎn)生光芒，形成極光

問題1：那在實驗室如何設(shè)計實驗，來驗證運動的帶電粒子在磁場中會受到力的作用？NS一、洛倫茲力運動電荷在磁場中受到的力稱為

洛倫茲力

洛倫茲荷蘭物理學(xué)家洛倫茲與洛倫茲力洛倫茲創(chuàng)立了經(jīng)典電子論，提出了洛倫茲變換公式1902年與其學(xué)生塞曼共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎。問題2：你認(rèn)為應(yīng)該如何判斷洛倫茲力的方向？你猜想的依據(jù)是什么？二、洛倫茲力的方向磁場對電流有作用力，電流是電荷的定向移動形成的，那磁場對電流作用力的實質(zhì)可能是磁場對運動電荷的作用力

猜想與假設(shè)類比判斷安培力的方向，判斷

方法下面幾種情況洛倫茲力的

方向是否與實際情況相符vvIvIFvIFvIFvvIFvIvIFvIFF洛倫茲力的方向伸開左手：

vF洛倫茲力的方向伸開左手：磁感線——垂直穿入手心vF洛倫茲力的方向伸開左手：磁感線——垂直穿入手心四指—①指向正電荷的運動方向②指向負(fù)電荷運動的反向

vF洛倫茲力的方向伸開左手：磁感線——垂直穿入手心四指—大拇指——所受洛倫茲力的方向①指向正電荷的運動方向②指向負(fù)電荷運動的反向

v洛倫茲力的方向既跟磁場方向垂直F⊥B，又跟電方荷的運動方向垂直F⊥v，故洛倫茲力的方向總是垂直于磁感線和運動電荷所在的平面，即：F⊥Bv平面比較洛倫茲力與安培力比較洛倫茲力與安培力磁場對運動電荷的力洛倫茲力比較洛倫茲力與安培力磁場對電流的力安培力磁場對運動電荷的力洛倫茲力比較洛倫茲力與安培力磁場對電流的力安培力磁場對運動電荷的力洛倫茲力微觀單個比較洛倫茲力與安培力磁場對電流的力安培力宏觀磁場對運動電荷的力洛倫茲力微觀單個大量多個比較洛倫茲力與安培力磁場對電流的力安培力宏觀磁場對運動電荷的力洛倫茲力微觀

實驗說明安培力實際是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)單個大量多個思考討論問題3：類比安培力的特點思考運動電子在磁場中一定會受到磁場力嗎？思考討論F安=0IB思考討論F安=0IB安培力實際是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)F安=NF洛思考討論F安=0F洛=0IBvB三、洛倫茲力的大小

問題4：如何由F＝BIL推導(dǎo)出單個電子所受洛倫茲力的大小公式？三、洛倫茲力的大小

問題4:如何由F＝BIL推導(dǎo)出單個電子所受洛倫茲力的大小公式？（只討論比較簡單的情況：導(dǎo)線的方向與磁場的方向垂直，安培力的大小可以表示為F＝BIL。這種情況導(dǎo)線中的運動電荷與磁場也垂直）步驟1：

一段通電導(dǎo)體受到的安培力等于各個自由電荷受到的洛倫茲力的矢量和vvvv步驟1：一段通電導(dǎo)體受到的安培力等于各個自由電荷受到的洛倫茲力的矢量和設(shè)所取導(dǎo)體中有N個自由電荷則F安=NF洛vvvv

步驟2：

寫出安培力的表達(dá)式F安=BILvvvv

步驟2：

寫出安培力的表達(dá)式F安=BILvvvv

步驟3：設(shè)處于截面a的自由電荷經(jīng)過時間t到達(dá)截面b，截面面積為S,此導(dǎo)體單位體積內(nèi)有n個自由電荷vvvv

步驟3：設(shè)處于截面a的自由電荷經(jīng)過時間t到達(dá)截面b，截面面積為S,此導(dǎo)體單位體積內(nèi)有n個自由電荷vvvvtab

步驟3：據(jù)此推導(dǎo)出導(dǎo)體中電流I的表達(dá)式vvvvtab

步驟3：據(jù)此推導(dǎo)出導(dǎo)體中電流I的表達(dá)式vvvvtab

步驟3：據(jù)此推導(dǎo)出導(dǎo)體中電流I的表達(dá)式vvvvtab步驟4：由以上結(jié)論推導(dǎo)洛倫茲力的表達(dá)式步驟4：由以上結(jié)論推導(dǎo)洛倫茲力的表達(dá)式步驟4：由以上結(jié)論推導(dǎo)洛倫茲力的表達(dá)式其中N=nSL步驟4：由以上結(jié)論推導(dǎo)洛倫茲力的表達(dá)式其中N=nSL步驟4：由以上結(jié)論推導(dǎo)洛倫茲力的表達(dá)式F洛=qvB其中N=nSL運動電荷垂直進(jìn)入磁場時F洛=qvB

問題5：當(dāng)運動速度v與磁感應(yīng)強(qiáng)度B垂直時，F(xiàn)洛=qvB;當(dāng)運動速度v與磁感應(yīng)強(qiáng)度B平行時，F(xiàn)洛=？

問題5：當(dāng)運動速度v與磁感應(yīng)強(qiáng)度B垂直時，F(xiàn)洛=qvB;當(dāng)運動速度v與磁感應(yīng)強(qiáng)度B平行時，F(xiàn)洛=？類比安培力的特點：當(dāng)I∥B，F(xiàn)安=0

問題5：當(dāng)運動速度v與磁感應(yīng)強(qiáng)度B垂直時，F(xiàn)洛=qvB;當(dāng)運動速度v與磁感應(yīng)強(qiáng)度B平行時，F(xiàn)洛=？類比安培力的特點：當(dāng)I∥B，F(xiàn)安=0v∥B，F(xiàn)洛=0；Bv+qθ那么當(dāng)二者有一夾角θ時，洛倫茲力怎么計算呢？Bv+qθv1v2那么當(dāng)二者有一夾角θ時，洛倫茲力怎么計算呢？Bv+qθv1v2F洛=qv2B那么當(dāng)二者有一夾角θ時，洛倫茲力怎么計算呢？課堂小結(jié)一：洛侖茲力的特點

1、洛倫茲力的方向：左手定則

課堂小結(jié)一：洛侖茲力的特點

1、洛倫茲力的方向：左手定則

F洛⊥vF洛⊥vB平面F洛⊥B課堂小結(jié)一：洛侖茲力的特點

1、洛倫茲力的方向：左手定則

2、洛倫茲力的大?。篎洛⊥vF洛⊥vB平面F洛⊥B課堂小結(jié)一：洛侖茲力的特點

1、洛倫茲力的方向：左手定則

2、洛倫茲力的大?。海?）v∥B，F(xiàn)洛=0；（2）v⊥B，F(xiàn)洛=qvB（3）v與B成θ，F(xiàn)=qvBsinθF洛⊥vF洛⊥vB平面F洛⊥B

1、下列各圖中帶電粒子剛剛進(jìn)入磁場，試判斷這時粒子所受洛倫茲力的方向×××××××××課堂練習(xí)++vvv

1、下列各圖中帶電粒子剛剛進(jìn)入磁場，試判斷這時粒子所受洛倫茲力的方向FL×××××××××課堂練習(xí)++vvv

1、下列各圖中帶電粒子剛剛進(jìn)入磁場，試判斷這時粒子所受洛倫茲力的方向FL×××××××××課堂練習(xí)++vvvFL

1、下列各圖中帶電粒子剛剛進(jìn)入磁場，試判斷這時粒子所受洛倫茲力的方向FL×××××××××課堂練習(xí)++vvvFL=0FL

2、電子以v=4.0105m/s的速度，垂直進(jìn)入B=0.2T的勻強(qiáng)磁場中，已知電子的質(zhì)量m=0.9110-30kg，電荷e=1.610-19C，它受到的洛侖茲力是多大？電子的加速度多大？課堂練習(xí)解：電子在勻強(qiáng)磁場中所受到的洛侖茲力大小

解：電子在勻強(qiáng)磁場中所受到的洛侖茲力大小

f=evB=1.610-194.01050.2N=1.2810-14N解：電子在勻強(qiáng)磁場中所受到的洛侖茲力大小

f=evB=1.610-194.01050.2N=1.2810-14N解：電子在勻強(qiáng)磁場中所受到的洛侖茲力大小

f=evB=1.610-194.01050.2N=1.2810-14N

說明：通常情況下，帶電粒子在磁場中運動時重力的影響可忽略不計

問題5：帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場后，在洛侖茲力的作用下帶電粒子將做什么樣的運動？

四、洛侖茲力的作用

vvvvF在這樣的力的作用下電荷將做勻速圓周運動

vvvvF因為洛倫茲力時刻與速度垂直，所以洛倫茲力不做功，他只改變速度的方向不改變速度的大小。

問題6：電荷的運動軌道半徑與哪些因素有關(guān)，關(guān)系如何？

帶電粒子做勻速圓周運動時，

問題6：電荷的運動軌道半徑與哪些因素有關(guān)，關(guān)系如何？

帶電粒子做勻速圓周運動時，

問題6：電荷的運動軌道半徑與哪些因素有關(guān)，關(guān)系如何？

帶電粒子做勻速圓周運動時，

問題6：電荷的運動軌道半徑與哪些因素有關(guān)，關(guān)系如何？

帶電粒子做勻速圓周運動時，

思考1、質(zhì)量不同電量相同的帶電粒子，以大小相等的動量垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，它們的軌道半徑關(guān)系如何？

思考1、質(zhì)量不同電量相同的帶電粒子，以大小相等的動量垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，它們的軌道半徑關(guān)系如何？

思考1、質(zhì)量不同電量相同的帶電粒子，以大小相等的動量垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，它們的軌道半徑關(guān)系如何？

思考1、質(zhì)量不同電量相同的帶電粒子，以大小相等的動量垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，它們的軌道半徑關(guān)系如何？

思考1、質(zhì)量不同電量相同的帶電粒子，以大小相等的動量垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，它們的軌道半徑關(guān)系如何？

思考1、質(zhì)量不同電量相同的帶電粒子，以大小相等的動量垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，它們的軌道半徑關(guān)系如何？半徑相同思考2、速度相同，質(zhì)荷比不同的帶電粒子垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，它們的軌道半徑關(guān)系如何？

思考2、速度相同，質(zhì)荷比不同的帶電粒子垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，它們的軌道半徑關(guān)系如何？思考2、速度相同，質(zhì)荷比不同的帶電粒子垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，它們的軌道半徑關(guān)系如何？思考2、速度相同，質(zhì)荷比不同的帶電粒子垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，它們的軌道半徑關(guān)系如何？思考2、速度相同，質(zhì)荷比不同的帶電粒子垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，它們的軌道半徑關(guān)系如何？質(zhì)荷比大的半徑大

思考3、在同一磁場中做半徑相等的圓周運動的氘核、氚核、氦核，哪個運動速度大？

思考3、在同一磁場中做半徑相等的圓周運動的氘核、氚核、氦核，哪個運動速度大？

思考3、在同一磁場中做半徑相等的圓周運動的氘核、氚核、氦核，哪個運動速度大？

思考3、在同一磁場中做半徑相等的圓周運動的氘核、氚核、氦核，哪個運動速度大？

思考3、在同一磁場中做半徑相等的圓周運動的氘核、氚核、氦核，哪個運動速度大？質(zhì)荷比大的速度小

問題7：帶電粒子在磁場中做圓周運動的周期大小與哪些因素有關(guān)？關(guān)系如何？

圓周長與圓半徑的關(guān)系周長=2πR圓周長與圓半徑的關(guān)系周長=2πR圓周運動的周期與周長和速率的關(guān)系圓周長與圓半徑的關(guān)系周長=2πR圓周運動的周期與周長和速率的關(guān)系圓周長與圓半徑的關(guān)系周長=2πR圓周運動的周期與周長和速率的關(guān)系圓周長與圓半徑的關(guān)系周長=2πR圓周運動的周期與周長和速率的關(guān)系

思考：同一帶電粒子，在磁場中做圓周運動，當(dāng)它的速率增大時，其周期怎樣改變？

思考：同一帶電粒子，在磁場中做圓周運動，當(dāng)它的速率增大時，其周期怎樣改變？

思考：同一帶電粒子，在磁場中做圓周運動，當(dāng)它的速率增大時，其周期怎樣改變？

思考：同一帶電粒子，在磁場中做圓周運動，當(dāng)它的速率增大時，其周期怎樣改變？

思考：同一帶電粒子，在磁場中做圓周運動，當(dāng)它的速率增大時，其周期怎樣改變？不變課堂小結(jié)二：洛侖茲力的作用

1、洛倫茲力的方向永遠(yuǎn)與速度垂直只改變運動電荷速度的方向，不改變運動電荷速度的大小。洛倫茲力永遠(yuǎn)不做功！2、帶電粒子只在洛倫茲力作用下做圓周運動的時3、電子以初速度v垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，則()A、磁場對電子的作用力始終不變。B、磁場對電子的作用力始終不做功。C、電子的速度始終不變。