洛倫茲力(共2課時(shí))高二下學(xué)期物理粵教版（2019）選擇性必修第二冊(cè)

第一章磁場(chǎng)粵教版選擇性必修一第三節(jié)

洛倫茲力知識(shí)回顧2、判斷下列圖中安培力的方向：FF方向：安培力:1、磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)線的作用力θ為B和I之間的夾角大?。鹤笫侄▌t四指穿手心大拇指電流磁感線安培力電流與磁場(chǎng)方向垂直知識(shí)回顧磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線（電流）有力的作用，而電流是電荷的定向運(yùn)動(dòng)形成的，由此你會(huì)想到了什么？磁場(chǎng)可能對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用導(dǎo)體中的電流是由電荷的定向移動(dòng)產(chǎn)生的:I=nqSv3、電流是如何形成的？【演示實(shí)驗(yàn)】觀察陰極射線在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)如圖所示的玻璃管已經(jīng)抽成真空。當(dāng)左右兩個(gè)電極按圖示的極性連接到高壓電源時(shí)，陰極會(huì)發(fā)射電子。電子在電場(chǎng)的加速下飛向陽(yáng)極。擋板上有一個(gè)扁平的狹縫，電子飛過(guò)擋板后形成一個(gè)扁平的電子束。長(zhǎng)條形的熒光板在陽(yáng)極端稍稍傾向軸線，電子束掠射到熒光板上，顯示出電子束的徑跡。陰極陽(yáng)極狹縫熒光板電子束陰極射線管的原理：從陰極發(fā)射出來(lái)的電子，在陰陽(yáng)兩極間的高壓作用下，使其加速，形成電子束，轟擊到長(zhǎng)條形的熒光屏上激發(fā)出熒光，可以顯示電子束的運(yùn)動(dòng)軌跡。實(shí)驗(yàn)觀察：磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力實(shí)驗(yàn)觀察：磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力當(dāng)沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí)，陰極射線管中的電子束沿直線前進(jìn)；當(dāng)磁場(chǎng)方向與電子束前進(jìn)方向垂直時(shí)，電子束運(yùn)動(dòng)徑跡發(fā)生了彎曲，表明磁場(chǎng)對(duì)電子束產(chǎn)生了作用力。當(dāng)磁場(chǎng)的方向發(fā)生變化時(shí)，電子流的彎曲方向也發(fā)生了改變實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)結(jié)論：1、磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用2、磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷力的方向與磁場(chǎng)的方向及電荷的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中所受的力——洛倫茲力1895年，荷蘭物理學(xué)家洛倫茲公布了磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力的公式。為了紀(jì)念他，人們將磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力稱為洛倫茲力。一、認(rèn)識(shí)洛倫茲力安培力洛倫茲力磁場(chǎng)對(duì)電流的作用磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用因果微觀原因宏觀表現(xiàn)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本質(zhì)1、定義2、洛倫茲力與安培力的關(guān)系二、洛倫茲力的方向?qū)嶒?yàn)結(jié)論：2、磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷力的方向與磁場(chǎng)的方向及電荷的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)二、洛倫茲力的方向向上偏轉(zhuǎn)向下偏轉(zhuǎn)二、洛倫茲力的方向當(dāng)運(yùn)動(dòng)電荷的速度方向與磁場(chǎng)平行時(shí)，運(yùn)動(dòng)電荷不受洛倫茲力；當(dāng)運(yùn)動(dòng)電荷的速度方向與磁場(chǎng)垂直時(shí)，運(yùn)動(dòng)電荷受到的洛倫茲力，其方向即與磁場(chǎng)方向垂直，又與速度方向垂直。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，電子偏轉(zhuǎn)方向與磁場(chǎng)方向、電子運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)。類比安培力方向的判斷方向，洛倫茲力方向也可以運(yùn)用左手定則進(jìn)行判斷。二、洛倫茲力的方向左手定則：伸開(kāi)左手，使拇指和其余四指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi)，讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)的方向或負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向，這時(shí)拇指所指的方向就是該電荷在磁場(chǎng)中所受洛倫茲力的方向。伸開(kāi)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(yùn)動(dòng)方向②指向負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反向vFvF二、洛倫茲力的方向左手定則：Vv1v2VBBF+F洛倫茲力F與v、B三者之間的方向關(guān)系+F既與B垂直又與v垂直，即垂直于B和v所確定的平面，但B與v不一定垂直洛倫茲力對(duì)電荷不做功,只改變粒子速度的方向，不改變粒子速度的大小?！痢痢痢痢痢痢痢痢?×××××××××vv+vvv+vFL+v垂直紙面向外垂直紙面向里+vFLFLFLFL=0FL=0例：試判斷下圖中的帶電粒子剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)所受的洛倫茲力的方向例1：試判斷下圖中各帶電粒子所受洛倫茲力的方向或帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向。fvvvf垂直紙面向外例2.將含有大量正、負(fù)帶電粒子及不帶電粒子的氣體以一定速度垂直于磁場(chǎng)噴入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，它們?cè)诖艌?chǎng)中的運(yùn)動(dòng)徑跡分成了如圖所示的三束，其中②是直線。則(

)A

①是帶正電的粒子B

②是帶正電的粒子C

③是帶正電的粒子D

③是不帶電的粒子【解析】根據(jù)左手定則可知，①是帶正電的粒子，A正確；②是不帶電的粒子，B錯(cuò)誤；根據(jù)左手定則可知，③是帶負(fù)電的粒子，C、D錯(cuò)誤。故選A。A三、洛倫茲力的大小安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)通電導(dǎo)線處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，導(dǎo)線中電流方向與磁場(chǎng)方向垂直。若只考慮其中一段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的導(dǎo)線，設(shè)該段導(dǎo)線內(nèi)定向移動(dòng)的電荷數(shù)為N，導(dǎo)線所受安培力為F，每個(gè)電荷所受洛倫茲力為f如何利用安培力表達(dá)式推導(dǎo)洛倫茲力表達(dá)式呢？洛倫茲力表達(dá)式的推導(dǎo)其中Q為時(shí)間t內(nèi)經(jīng)過(guò)導(dǎo)線橫截面積S的電量根據(jù)安培力表達(dá)式，有根據(jù)電流公式，有設(shè)自由電荷定向移動(dòng)的速度為v，每個(gè)電荷所帶電量為q，則導(dǎo)線中每個(gè)定向移動(dòng)的電荷所受洛倫茲力的大小為設(shè)該段導(dǎo)線內(nèi)定向移動(dòng)的電荷數(shù)為N，導(dǎo)線所受安培力為F，每個(gè)電荷所受洛倫茲力為f三、洛倫茲力的大小大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這一結(jié)果同樣適用于帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的情況。當(dāng)電荷在垂直磁場(chǎng)的方向上運(yùn)動(dòng)（v⊥B）時(shí)，電荷所受的洛倫茲力為導(dǎo)線中每個(gè)定向移動(dòng)的電荷所受洛倫茲力的大小為

問(wèn)題：若帶電粒子不垂直射入磁場(chǎng)，電子受到的洛倫茲力又如何呢？

問(wèn)題：若帶電粒子不垂直射入磁場(chǎng)，電子受到的洛倫茲力又如何呢？

為B和v之間的夾角vB//B┴vvv//┴B三、洛倫茲力的大小當(dāng)電荷在垂直磁場(chǎng)的方向上運(yùn)動(dòng)（v⊥B）時(shí)，電荷所受的洛倫茲力為當(dāng)電荷運(yùn)動(dòng)的方向與磁場(chǎng)的方向夾角為θ時(shí)，電荷所受的洛倫茲力為當(dāng)電荷在平行磁場(chǎng)的方向上運(yùn)動(dòng)（v//B）時(shí)，電荷所受的洛倫茲力為

如圖所示，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。大小為qvB

方向垂直于v指向左上方大小為1/2qvB方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶锎笮閝vB方向垂直紙面向里大小為qvB垂直于v指向左上方課堂練習(xí)洛倫茲力和電場(chǎng)力的比較：比較項(xiàng)目洛倫茲力F電場(chǎng)力F性

質(zhì)產(chǎn)生條件大

小磁場(chǎng)對(duì)在其中運(yùn)動(dòng)電荷的作用力電場(chǎng)對(duì)放入其中電荷的作用力v≠0且v不與B平行電場(chǎng)中的電荷一定受到電場(chǎng)力作用F＝qvB(v⊥B)F＝qE力方向與場(chǎng)方向的關(guān)系做功情況力F為零時(shí)場(chǎng)的情況作用效果一定是F⊥B，F(xiàn)⊥v正電荷與電場(chǎng)方向相同，負(fù)電荷與電場(chǎng)方向相反任何情況下都不做功可能做正功、負(fù)功或不做功F為零，B不一定為零F為零，E一定為零只改變電荷運(yùn)動(dòng)的速度方向，不改變速度大小既可以改變電荷運(yùn)動(dòng)的速度大小，也可以改變電荷運(yùn)動(dòng)的方向

C-vB課堂練習(xí)(1)如圖所示，帶電粒子所受重力可忽略不計(jì)，粒子在兩板間同時(shí)受到電場(chǎng)力和洛倫茲力，只有當(dāng)二力平衡時(shí)，粒子才不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，沿直線從兩板間穿過(guò)。四、速度選擇器速度選擇器(1)如圖所示，帶電粒子所受重力可忽略不計(jì)，粒子在兩板間同時(shí)受到電場(chǎng)力和洛倫茲力，只有當(dāng)二力平衡時(shí)，粒子才不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，沿直線從兩板間穿過(guò)。

(2)粒子受力特點(diǎn):①不計(jì)重力。②同時(shí)受方向相反的電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力作用。為了診斷病人的心臟功能和動(dòng)脈中血液粘滯情況，可使用電磁流量計(jì)測(cè)量血管中血液的流速和流量。如圖所示是電磁流量計(jì)測(cè)量血管中血液流速的示意圖，使血管處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，測(cè)得血管兩側(cè)電壓為U。已知血管的直徑為d，假定血管中各處液體的流速v相同，忽略重力影響。（1）管壁上點(diǎn)a和點(diǎn)b，哪一點(diǎn)的電勢(shì)高？（2）試求血管中血液的流速v。(1)根據(jù)左手定則，在洛倫茲力作用下，正離子向管道a的一側(cè)集中，則點(diǎn)a電勢(shì)高于點(diǎn)b(2)當(dāng)正負(fù)離子受到電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡時(shí)，離子不再偏移，此時(shí)ab間有穩(wěn)定的電勢(shì)差，形成一個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)，對(duì)血液中的帶電粒子，有

qvB=qU/d解得v=U/Bd課堂練習(xí)宇宙射線

從太陽(yáng)或其他星體上，時(shí)刻都有大量的高能粒子流放出，稱為宇宙射線。這些高能粒子流若都到達(dá)地球，將對(duì)地球上的生物帶來(lái)危害。但由于地球周圍存在磁場(chǎng)，在洛倫茲力的作用下，改變了宇宙射線中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向，從而對(duì)宇宙射線起了一定的阻擋作用。如圖所示，來(lái)自太陽(yáng)和其他星體的宇宙射線含有大量高能帶電粒子，幸好由于地球磁場(chǎng)的存在而改變了這些帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向，使很多帶電粒子不能到達(dá)地面，避免了其對(duì)地面上生命的危害。已知北京上空某處由南指北的磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.2×10-4T，如果有一速率為v=5.0×105m/s、電量q=1.6×10-19C的質(zhì)子豎直向下運(yùn)動(dòng)穿過(guò)此處的地磁場(chǎng)。（1）此時(shí)該質(zhì)子受到的洛倫茲力是多大？向哪個(gè)方向偏轉(zhuǎn)？（2）在地球兩極處地磁場(chǎng)方向可近似認(rèn)為垂直于地面，在赤道處地磁場(chǎng)方向可近似認(rèn)為由地理南極指向地理北極。那么，地球兩極處和赤道處相比，哪個(gè)區(qū)域地磁場(chǎng)對(duì)高能帶電粒子的阻擋效果更好？為什么？(1)

f=qvB=9.6×10-18N;質(zhì)子向東偏轉(zhuǎn)(2)在赤道附近對(duì)宇宙射線的阻擋效果更強(qiáng)課堂練習(xí)極光人類首次拍到南北極光“同放光彩”奇景++以正電荷為例在太陽(yáng)創(chuàng)造的諸如光和熱等形式的能量中，有一種能量被稱為“太陽(yáng)風(fēng)”。這是一束可以覆蓋地球的強(qiáng)大的帶電亞原子顆粒流，該太陽(yáng)風(fēng)在地球上空環(huán)繞地球流動(dòng)，以大約每秒400公里的速度撞擊地球磁場(chǎng)，磁場(chǎng)使該顆粒流偏向地磁極下落，它們與氧和氮的原子碰撞，擊走電子，使之成為激發(fā)態(tài)的離子，這些離子發(fā)射不同波長(zhǎng)的輻射，產(chǎn)生出紅、綠或藍(lán)等色的極光特征色彩，形成極光。1、質(zhì)量為0.1g的小物塊，帶有5×10-4C的電量，放在傾角為30°的絕緣光滑斜面上，整個(gè)斜面置于0.5T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向如圖所示，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10m/s2，結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。問(wèn)：(1)物塊帶電性質(zhì)如何？負(fù)電(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？課堂練習(xí)2、如圖所示，a為帶正電的小物塊，b是一不帶電的絕緣物塊(設(shè)a、b間無(wú)電荷轉(zhuǎn)移)，a、b疊放于粗糙的水平地面上，地面上方有垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)?，F(xiàn)用水平恒力F拉b物塊，使a、b一起無(wú)相對(duì)滑動(dòng)地向左做加速運(yùn)動(dòng)，則在加速運(yùn)動(dòng)階段(

)A．a(chǎn)對(duì)b的壓力不變B．a(chǎn)對(duì)b的壓力變大C．a(chǎn)、b物塊間的摩擦力變大D．a(chǎn)、b物塊間的摩擦力不變B課堂練習(xí)3、如圖所示，一帶正電的物體固定在小車的底板上，其中底板絕緣，整個(gè)裝置靜止在水平地面上，在空間施加一垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，如果保持小車不動(dòng)，將勻強(qiáng)磁場(chǎng)沿水平方向向左勻速運(yùn)動(dòng)．則下列說(shuō)法正確的是(

)A．帶電物體所受的洛倫茲力為零B．帶電物體受洛倫茲力且方向豎直向上C．小車對(duì)地面的壓力變大D．地面對(duì)小車的摩擦力方向向左B課堂練習(xí)4、如圖所示，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的水平勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有一足夠長(zhǎng)的絕緣細(xì)棒OO′在豎直面內(nèi)垂直磁場(chǎng)方向放置，細(xì)棒與水平面間的夾角為α，一質(zhì)量為m、帶電荷量為＋q的圓環(huán)A套在OO′棒上，圓環(huán)與棒間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，且μ<tanα，重力加速度為g.現(xiàn)讓圓環(huán)A由靜止開(kāi)始下滑，試問(wèn)圓環(huán)在下滑過(guò)程中：(1)圓環(huán)A的最大加速度為多大？獲得最大加速度時(shí)的速度為多大？(2)圓環(huán)A能夠達(dá)到的最大速度為多大？課堂練習(xí)(1)由于μ<tanα，所以環(huán)將由靜止開(kāi)始沿棒下滑，環(huán)A沿棒運(yùn)動(dòng)的速度為v1時(shí)，受到重力mg、洛倫茲力qv1B、棒的彈力FN1和摩擦力f1，f1＝μFN1，根據(jù)牛頓第二定律:mgsinα－f1＝ma垂直棒的方向有

FN1＋qv1B＝mgcosα所以當(dāng)FN1＝0，即f1＝0時(shí)，a有最大值am，且am＝gsinα，此時(shí)qv1B＝mgcosα解得v1＝mgcosα/qB.(2)設(shè)當(dāng)環(huán)A的速度達(dá)到最大值vm時(shí)，環(huán)受棒的彈力大小為FN2，方向垂直于棒向下，摩擦力大小為f2＝μFN2，此時(shí)應(yīng)有a＝0，即mgsinα＝f2，F(xiàn)N2＋mgcosα＝qvmB解得vm＝mg(sinα＋μcosα)/μqB.5、如圖所示，質(zhì)量為m＝1kg、電荷量為q＝5×10－2C的帶正電荷的小滑塊，從半徑為R＝0.4m的光滑固定絕緣1/4圓弧軌道上由靜止自A端滑下．整個(gè)裝置處在方向互相垂直的勻