資源簡(jiǎn)介

1.2 磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力
一、教材分析
洛倫茲力的方向和大小是本節(jié)教材內(nèi)容的重點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論探究洛倫茲力的方向，再由安培力的表達(dá)式推導(dǎo)出洛倫茲力的表達(dá)式的過程是培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力的好機(jī)會(huì)，一定要讓全體學(xué)生都參與這一過程。教材在“思考與討論”欄目中提出的邏輯線索，實(shí)質(zhì)上是為推導(dǎo)過程鋪設(shè)的臺(tái)階，教師也可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況靈活鋪設(shè)臺(tái)階，要讓不同層次的學(xué)生在討論中都有比較深刻的感受。課堂教學(xué)中要求學(xué)生能根據(jù)這一邏輯線索推導(dǎo)出洛倫茲力的表達(dá)式。
二、教學(xué)目標(biāo)
(1)通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)洛倫茲力。能判斷洛倫茲力的方向，會(huì)計(jì)算洛倫茲力的大小。了解洛倫茲力在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。
(2)經(jīng)歷由安培力公式推導(dǎo)出洛倫茲力公式的過程，體會(huì)模型建構(gòu)與演繹推理的方法。經(jīng)歷一般情況下洛倫茲力表達(dá)式的得出過程，進(jìn)一步體會(huì)矢量分析的方法。
(3)了解顯像管的基本構(gòu)造及工作的基本原理，認(rèn)識(shí)電子束的磁偏轉(zhuǎn)，體會(huì)物理知識(shí)與科學(xué)技術(shù)的關(guān)系。
三、教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)
重點(diǎn)：
1.利用左手定則會(huì)判斷洛倫茲力的方向。
2.掌握垂直進(jìn)入磁場(chǎng)方向的帶電粒子，受到洛倫茲力大小的計(jì)算。
難點(diǎn)：洛倫茲力方向的判斷。
四、教學(xué)用具
PPT課件，相關(guān)圖片資源。
五、教學(xué)過程
【復(fù)習(xí)引入】
1.洛倫茲力的方向如何判斷？
2.洛倫茲力的大小如何計(jì)算？
【新課講解】
三、電子束的磁偏轉(zhuǎn)及其應(yīng)用
1．顯像管的工作原理
電視顯像管應(yīng)用了電子束磁偏轉(zhuǎn)的道理。
顯像管中有一個(gè)陰極，工作時(shí)它能發(fā)射電子，熒光屏被電子束撞擊就能發(fā)光。在偏轉(zhuǎn)區(qū)的水平方向和豎直方向都有偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其方向、強(qiáng)弱都在不斷地變化。
2．速度選擇器
計(jì)算出選擇的速度：
設(shè)帶電粒子的質(zhì)量為m，帶電荷量為q，勻強(qiáng)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為E，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。 帶電粒子以速度v0垂直射入互相正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)，因?yàn)閹щ娏Ｗ訋д姡瑒t所受靜電力方向向下，大小為qE；所受洛倫茲力方向向上，大小為qv0B。帶正電的粒子沿直線勻速通過，所以必有qE＝qv0B，v0＝，即只要帶電粒子的速度滿足v0＝，粒子就能夠勻速的穿過該場(chǎng)，而與粒子的質(zhì)量，電荷量無關(guān)。
教師提問：如果粒子帶負(fù)電呢？發(fā)現(xiàn)上面的關(guān)系仍然成立。
3．磁流體發(fā)電機(jī)
教師說明：如圖所示，將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和帶負(fù)電的微粒，從整體上來說是呈電中性)噴射入磁場(chǎng)，磁場(chǎng)中有兩塊金屬板A、B。
教師提問：高速射入的離子在洛倫茲力的作用下會(huì)發(fā)什么現(xiàn)象呢？
學(xué)生回答：高速射入的離子在洛倫茲力的作用下向A、B兩板聚集，使兩板間產(chǎn)生電勢(shì)差，教師提問：產(chǎn)生電勢(shì)差以后，等離子體只受洛倫茲力嗎？
學(xué)生回答：還會(huì)受電場(chǎng)力。
教師提問：離子會(huì)一直不斷地向A、B板聚集嗎？
學(xué)生回答：當(dāng)洛倫茲力和電場(chǎng)力平衡以后，就不會(huì)再聚集。
教師總結(jié)：運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受洛倫茲力作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，正、負(fù)離子分別到達(dá)B、A極板(B為電源正極，故電流方向從B到A)，使A、B板間產(chǎn)生勻強(qiáng)電場(chǎng)，在電場(chǎng)力的作用下偏轉(zhuǎn)逐漸減弱，當(dāng)受力平衡之后，等離子體不發(fā)生偏轉(zhuǎn)即勻速穿過。
教師引導(dǎo)：我們假設(shè)A、B間就存在若平行金屬板間距為d，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，等離子體流速為v，氣體從一側(cè)面垂直磁場(chǎng)射入板間，不計(jì)氣體電阻，外電路電阻為R，則兩板間可能達(dá)到的最大電壓和最大電流為多少？
學(xué)生活動(dòng)：離子勻速通過：qvB＝qE，兩極板間電勢(shì)差U＝Ed＝Bdv，電流大小I＝.
四、洛倫茲力的方向
教師演示：觀察陰極射線在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)。
教師提問：在沒有外磁場(chǎng)時(shí)，電子束怎么運(yùn)動(dòng)，蹄形磁鐵靠近電子射線管，觀察電子束運(yùn)動(dòng)軌跡有什么變化？
學(xué)生回答：在沒有外界磁場(chǎng)時(shí)，電子束沿直線運(yùn)動(dòng)，蹄形磁鐵靠近電子射線管，電子束運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生彎曲。
教師口述：運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到的力稱為洛倫茲力，安培力實(shí)際上是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中所受洛倫茲力的方向與運(yùn)動(dòng)方向和磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向都垂直。洛倫茲力的方向可以依照左手定則來進(jìn)行。洛倫茲力方向的判斷——左手定則：
伸開__________，使大拇指和其余四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，若四指指向_______________的方向，那么拇指所受的方向就是________________________的方向。
學(xué)生活動(dòng)：伸出左手，跟著老師一起判斷洛倫茲力方向。
五、洛倫茲力的大小
1．推導(dǎo)過程：
教師口述：設(shè)有一段長(zhǎng)度為l的通電導(dǎo)線，橫截面積為S，導(dǎo)線每單位體積中含有的自由電荷數(shù)為n，每個(gè)自由電荷的電量為q，定向移動(dòng)的平均速率為v，將這段導(dǎo)線垂直于磁場(chǎng)方向放入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中。
教師引導(dǎo)學(xué)生一起推導(dǎo)：
Q＝nqSL＝nqS·vt
故
洛倫茲力
2.洛倫茲力與安培力的關(guān)系
3．洛倫茲力的計(jì)算公式
（1）教師提問：當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度垂直時(shí)（v⊥B），F(xiàn)=___________
學(xué)生回答：F＝qvB
（2）教師提問：當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向成θ時(shí)（v∥B），該怎么處理呢？F=____________
學(xué)生回答：把速度正交分解或者把磁感應(yīng)強(qiáng)度正交分解。
教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生分析計(jì)算，投影學(xué)生作答情況，學(xué)生發(fā)現(xiàn)兩種方法計(jì)算以后發(fā)現(xiàn)都可得F＝qvBsinθ。
4．洛倫茲力大小的理解：
F=qvBsinθ， θ為電荷運(yùn)動(dòng)的方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的夾角。
(1)當(dāng)θ=90°時(shí)，即電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí),洛倫茲力最大：F=qvB。
(2)當(dāng)θ=0°或θ=180°時(shí)，即電荷運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)：F=0。
(3)當(dāng)v=0，即電荷在磁場(chǎng)中靜止時(shí)：F=0。
5.洛倫茲力的特點(diǎn)
(1)洛倫茲力的方向隨電荷運(yùn)動(dòng)方向的變化而變化。
(2)無論磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與電荷運(yùn)動(dòng)的速度方向是否垂直，洛倫茲力的方向一定垂直于B和v所決定的平面。
(3)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。
(4)洛倫茲力永不做功，但安培力可以做功。
6.洛倫茲力與電場(chǎng)力的比較：
洛倫茲力 電場(chǎng)力
產(chǎn)生條件 (1)電荷相對(duì)于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng) (2)運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向不平行 只要電荷在電場(chǎng)中，就一定受到電場(chǎng)力的作用
大 小 F＝qvBsin θ F＝qE
受力方向 垂直于B和v所決定的平面，但B和v不一定垂直 沿著電場(chǎng)線的切線方向或反方向
作用效果 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
做功特點(diǎn) 永不做功 可做功，也可不做功
【典型例題】
例1.試判斷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，其中垂直于紙面指向紙里的是(　　)
A　　　 B　　　　 C　　　　D
解析：根據(jù)左手定則可以判斷，選項(xiàng)A中的負(fù)電荷所受的洛倫茲力方向向下；選項(xiàng)B中的負(fù)電荷所受的洛倫茲力方向向上；選項(xiàng)C中的正電荷所受的洛倫茲力方向垂直于紙面指向紙外；選項(xiàng)D中的正電荷所受的洛倫茲力方向垂直于紙面指向紙里，D正確。
答案：D　
例2.如圖所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向垂直于紙面向外，質(zhì)量為m、帶電荷量為q的小球在傾角為α的光滑斜面上由靜止開始下滑。若帶電小球下滑后某個(gè)時(shí)刻對(duì)斜面的壓力恰好為零，問：
(1)小球的帶電性質(zhì)如何？
(2)此時(shí)小球下滑的速度和位移分別為多大？
解析：(1)小球沿斜面下滑，其對(duì)斜面的壓力為零，說明其受到的洛倫茲力應(yīng)垂直斜面向上，根據(jù)左手定則可判斷小球帶正電。
(2)當(dāng)小球?qū)π泵鎵毫榱銜r(shí)，有
mgcosα＝qvB
得小球此時(shí)的速度為v＝
由于小球沿斜面方向做勻加速運(yùn)動(dòng)，加速度為a＝gsinα
由勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移公式v2＝2ax
得x＝。
答案：(1)帶正電　(2)　
七、課堂小結(jié)
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