2020-2021学年高中物理-第1章-安培力与洛伦兹力-2-磁场对运动电荷的作用力(2)教案-新人.doc

2020-2021学年高中物理 第1章 安培力与洛伦兹力 2 磁场对运动电荷的作用力（2）教案 新人教版选择性必修第二册

2020-2021学年高中物理 第1章 安培力与洛伦兹力 2 磁场对运动电荷的作用力（2）教案 新人教版选择性必修第二册

年级：
姓名：

- 7 -

磁场对运动电荷的作用力
【教学目标】
1．知道什么是洛伦兹力。利用左手定则判断洛伦兹力的方向。
2．知道洛伦兹力大小的推理过程。
3．掌握垂直进入磁场方向的带电粒子，受到洛伦兹力大小的计算。
4．了解v和B垂直时的洛伦兹力大小及方向判断。理解洛伦兹力对电荷不做功。
5．了解电视显像管的工作原理。
【教学重点】
1．利用左手定则会判断洛伦兹力的方向。
2．掌握垂直进入磁场方向的带电粒子，受到洛伦兹力大小的计算。
【教学难点】
洛伦兹力方向的判断。
【教学过程】
一、复习提问、新课导入
前面我们学习了磁场对电流的作用力，下面思考以下问题：
1．如图判定安培力的方向

若已知上图中：B=4.0×10-2T，导线长L=10cm，I=1A。求：导线所受的安培力大小？
解：F=BIL=4×10-2T×1A×0.1m=4×10-3N
答：导线受的安培力大小为4×10-3N。
2．猜想：电子以速度v垂直射入磁场，是否受到磁场力的作用？
二、新课教学
（一）洛伦兹力的方向
［演示实验］观察磁场阴极射线在磁场中的偏转
［教师］说明电子射线管的原理：
说明阴极射线是灯丝加热放出电子，电子在加速电场的作用下高速运动而形成的电子流，轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光，可以显示电子束的运动轨迹，磁铁是用来在阴极射线周围产生磁场的，还应明确磁场的方向。
［实验结果］在没有外磁场时，电子束沿直线运动，蹄形磁铁靠近电子射线管，发现电子束运动轨迹发生了弯曲。学生用左手定则判断电子束弯曲方向。

［学生分析得出结论］磁场对运动电荷有作用。
提问：什么是电流？
学生答电荷的定向移动形成电流。
［教师讲述］磁场对电流有力的作用，电流是由电荷的定向移动形成的，我们会想到：这个力可能是作用在运动电荷上的，而安培力是作用在运动电荷上的力的宏观表现。
［过渡语］运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用，那么洛伦兹力的方向如何判断呢？
［问题］如图

①判定安培力方向。（上图甲中安培力方向为垂直电流方向向上，乙图安培力方向为垂直电流方向向下。）
②电流方向和电荷运动方向的关系。（电流方向和正电荷运动方向相同，和负电荷运动方向相反。）
③安培力的方向和洛伦兹力方向关系。（安培力的方向和正电荷所受的洛伦兹力的方向相同，和负电荷所受的洛伦兹力的方向相反。）
④电荷运动方向、磁场方向、洛伦兹力方向的关系。（学生分析总结）
洛伦兹力方向的判断——左手定则
伸开左手，使大拇指和其余四指垂直且处于同一平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，若四指指向正电荷运动的方向，那么拇指所受的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向；若四指指向是电荷运动的反方向，那么拇指所指的正方向就是负电荷所受洛伦兹力的方向。
【要使学生明确】正电荷运动方向应与左手四指指向一致，负电荷运动方向则应与左手四指指向相反（先确定负电荷形成电流的方向，再用左手定则判定）。
（二）洛伦兹力的大小
1．洛伦兹力的大小。
推导公式F=qvBsinθ时，应先建立物理模型，再循序渐进有条理地推导，这一个过程可放手让学生完成，体现学习的自主性。
也可以通过下面的命题引导学生一一回答。
设有一段长度为L的通电导线，横截面积为S，导线每单位体积中含有的自由电荷数为n，每个自由电荷的电量为q，定向移动的平均速率为v，将这段导线垂直于磁场方向放入磁感应强度为B的磁场中。

［问题］这段导线中电流I的微观表达式是多少？让学生推导后回答。
［学生答］I的微观表达式为I=nqSv
［问题］这段导体所受的安培力为多大？
［学生答］F安=BIL
［问题］这段导体中含有多少自由电荷数？
［学生答］这段导体中含有的电荷数为nLS。
［问题］每个自由电荷所受的洛伦兹力大小为多大？
［学生答］安培力可以看作是作用在每个运动上的洛伦兹力F的合力，这段导体中含有的自由电荷数为nLS，所以：F=F安/nLS=BIL/nLS=nqvSLB/nLS=qvB
2．洛伦兹力的计算公式

（1）当粒子运动方向与磁感应强度垂直时（v⊥B），F=qvB
（2）当粒子运动方向与磁感应强度方向成θ时（v∥B），F=qvBsinθ
上两式各量的单位：F为牛（N），q为库伦（C），v为米/秒（m/s），B为特斯拉（T）
说明由洛伦兹力所引起的带电粒子运动的方向总是与洛伦兹力的方向相垂直的。
［例题］求下图中各电荷所受洛伦兹力的大小和方向。

（三）电子束的磁偏转
1．显像管的工作原理
（1）原理：应用电子束磁偏转的道理。
（2）构造：由电子枪（阴极）、偏转线圈、荧光屏等组成。
在条件允许的情况下，可以让学生观察显像管的实物，认清偏转线圈的位置、形状，然后运用安培定则和左手定则说明从电子枪射出的电子束是怎样在洛伦兹力的作用下发生偏转的。

2．速度选择器

如右图所示，粒子所受重力可忽略不计，运动方向相同而速率不同的粒子束射入相互正交的匀强电场和匀强磁场所组成的场区中，若粒子运动轨迹不发生偏折，必须满足平衡条件：＝，故＝/，这样就把满足＝/的粒子选择出来了。
3．磁流体发电机

将一束等离子体（含有大量带正负电荷的微粒，整体呈电中性）喷射入磁场，高速射入的离子在洛伦兹力的作用下向、两板聚集，使两板间产生电势差，直至、之间的电势差大到后面的微粒不再聚集到板上，因此间会形成稳定的电压。
三、巩固练习
1．电荷q在匀强磁场中运动，下列说法正确的是（）
A．只要速度的大小相同，所受的洛伦兹力就相同
B．如果速度不变，把电荷q改为-q，洛伦兹力的方向将反向，但大小不变
C．洛伦兹力的方向一定与电荷速度方向垂直，磁场方向一定与电荷运动方向垂直
D．粒子在洛伦兹力作用下运动时，动能和动量均不变
2．如图所示，铜质导电板置于匀强磁场中，通电时铜板中电流方向向下，由于磁场的作用，则（）
A．板左侧聚集较多电子，使b点电势高于a点
B．板左侧聚集较多电子，使a点电势高于b点
C．板右侧聚集较多电子，使a点电势高于b点
D．板右侧聚集较多电子，使b点电势高于a点
3．带电粒子（不计重力）可能所处的状态是（）
A．在磁场中处于静止状态 B．在磁场中做匀速圆周运动
C．在匀强磁场中做抛体运动 D．则在匀强电场中做匀速直线运动
4．如图所示，通电竖直长直导线的电流方向向上，初速为v0的电子平行于直导线竖直向上射出，不考虑电子的重力，则电子开始将（）
A．向右偏转，速率不变 B．向左偏转，速率改变
C．向左偏转，速率不变 D．向右偏转，速率改变
5．如图所示，质量为m的带正电的小球能沿着竖直墙竖直滑下，磁感应强度为B的匀强磁场，方向水平并与小球运动方向垂直，若小球带正电量q，球与墙面的动摩擦因数为μ，则小球下落的最大速度为多大？

6．如图所示，某一带电粒子垂直射入一个垂直纸面向外的匀强磁场，并经过P点，试判断带电粒子的电性。

7．电子的速率v=3×106m/s，垂直射入B=0.10T的匀强磁场中，它受到的洛伦兹力是多大？