高中物理 第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 第2节 磁场对运动电荷的作用知识导航素材 鲁科版选修3-1（通用） 5页

第2节 磁场对运动电荷的作用 ‎ 思维激活 ‎1.目前，家家户户都有了电视机，不能将磁体靠近正在播放节目的电视机，你知道这是为什么吗？‎ ‎2.我们知道，在南极和北极地区有时会出现美丽的极光，你知道极光产生的原因吗？‎ ‎ ‎ 答案：1.提示：电视机的显像原理就是由于电子的运动.当磁体靠近电视机时，磁场会影响电子的运动，从而会影响到播放效果.‎ ‎2.提示：太阳射出的带电粒子受到地磁场作用产生的.‎ 自主整理 ‎1.磁场对运动电荷有作用吗？‎ 磁场对__________的作用力叫做洛伦兹力.‎ ‎2.从安培力到洛伦兹力 安培力可以看成是大量的运动电荷所受洛伦兹力的__________表现，而洛伦兹力则是安培力的__________解释.‎ 洛伦兹力的大小公式为__________，其中q表示运动电荷的__________，v表示电荷的运动__________，B表示__________.‎ 洛伦兹力的方向用左手定则判断：伸开左手，拇指跟其余四个手指垂直，且处于同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，四指指向__________运动的方向，那么拇指所指的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向.‎ 答案：1.运动电荷 ‎2.宏观 微观 f=qvB 电荷量 速度 磁感应强度 正电荷 高手笔记 ‎1.公式F=qvB的使用条件是速度v和磁感应强度B的方向垂直.‎ ‎2.当电荷速度v和磁感应强度B方向不垂直时，洛伦兹力的大小为F=qvBsinθ，θ为速度v和磁感强度B之间的夹角.‎ ‎(1)当θ=90°时，即带电粒子的运动方向与磁场方向垂直时：F=qvB最大.‎ ‎(2)当θ=0°时，即带电粒子的运动方向与磁场方向平行时：F=0最小.‎ ‎3.当进入磁场的电荷为负电荷时，用左手定则判断方向时四指指向负电荷运动的反方向.‎ ‎4.由左手定则可知电荷运动方向和洛伦兹力方向始终是垂直的，所以洛伦兹力对电荷不做功.‎ 名师解惑 ‎1.洛伦兹力和安培力的关系 剖析:作用在通电导线上的作用力是作用在形成电流的所有运动电荷上的洛伦兹力的合力.‎ 一根通电导体垂直放在磁场中，所受安培力为F=BIl,设导体内单位体积内的自由电子数为n，每个电子的电量为q，平均定向移动速率为v，导体的横截面积为S，则电流的微观解释为I=nqSv.l长的导体内的总电荷数目为N=nSl.F=Nf，整理后得每个电荷受到的磁场力为f=qvB.‎ ‎2.当电荷运动速度v的方向与磁感应强度B的夹角为θ时，洛伦兹力的大小该怎样计算?方向又如何呢？‎ 剖析:当电荷运动速度v的方向与磁感应强度B的夹角为θ时，可以把速度分解为两个分量：‎ 与磁感应强度方向平行的分量:v1=vcosθ,‎ 与磁感应强度方向垂直的分量:v2=vsinθ.‎ 因为在v1方向上没有作用力，因此电荷所受的作用力F完全由v2决定，即F=qBv2，由此可得F=qvBsinθ.‎ 上式表明：洛伦兹力F的大小等于电荷所带的电量q、电荷的速度v和磁感应强度B以及v和B之间夹角θ的正弦值的乘积.‎ 当通电导线的方向和磁场方向平行(θ=0°或θ=180°)时，安培力最小，等于零；当θ=90°时，安培力最大.‎ ‎3.电场和磁场对电荷作用的比较 剖析:(1)电荷在电场中一定要受到电场力的作用，而电荷在磁场中不一定受磁场力的作用.只有相对于磁场运动且运动方向与磁场不平行的电荷才受磁场力的作用，而相对于磁场静止的电荷或虽运动但运动方向与磁场方向平行的电荷则不受磁场力作用.‎ ‎(2)电场对电荷作用力的大小仅决定于场强E和电量q，即F=qE，而磁场对电荷的作用力大小不仅与磁感应强度B和电荷电量q有关，还与电荷运动速度的大小及速度方向和磁场方向的夹角有关，即F=qvBsinθ.‎ ‎(3)电荷所受电场力的方向总是沿着电场线的切线(与电场方向相同或相反)，而电荷所受磁场力的方向总是既垂直于磁场方向，又垂直于运动方向(即垂直于磁场方向和运动方向所决定的平面).‎ ‎(4)在匀强电场中，电荷受的电场力是一个恒力；在匀强磁场中，由于运动电荷的速度方向在洛伦兹力的作用下发生改变，而洛伦兹力又总是与电荷速度垂直，所以洛伦兹力的方向也发生改变，洛伦兹力是一个变力.‎ ‎(5)电荷在电场中运动时，电场力要对运动电荷做功(电荷在等势面上运动除外)，而电荷在磁场中运动时，洛伦兹力一定不会对电荷做功.‎ 讲练互动 ‎【例1】 图中所示的是表示磁场磁感应强度B，负电荷运动方向v和磁场对电荷洛伦兹力F的相互关系图，这四个图中画的正确的是(B、v、F两两垂直)( )‎ 解析：由左手定则可判断A、B、C正确.‎ 答案：ABC 黑色陷阱 做题时需看清本题考查的是负电荷所受洛伦兹力的问题.用左手定则判断负电荷所受洛伦兹力的方向时四指指向负电荷运动的反方向，这里容易弄混.‎ 变式训练 ‎1.若上题改为正电荷所受力，哪个又是正确的呢？‎ 解析：由左手定则判断D正确.‎ 答案：D ‎【例2】 大量的带电量均为+q的粒子，在匀强磁场中运动，下面说法中正确的是( )‎ A.只要速度大小相同，所受洛伦兹力就相同 B.如果把+q改为-q，且速度反向但大小不变，则洛伦兹力的大小、方向均不变 C.只要带电粒子在磁场中运动，它一定受到洛伦兹力作用 D.带电粒子受到洛伦兹力越小，则该磁场的磁感应强度越小 解析：带电粒子在磁场中运动时受到的磁场力不仅与其速度的大小有关，还与其速度的方向有关，当速度方向与磁场方向在一条直线上时，不受磁场力作用，所以A、C、D错误；根据左手定则，不难判断B是正确的.‎ 答案：B 绿色通道 理解洛伦兹力的大小、方向与哪些因素有关是解决此类问题的关键，应该特别注意速度方向与磁场方向之间的关系.‎ 变式训练 ‎2.如图所示，一个质量为m，带电量为+q的小球静止在光滑的绝缘平面上，并处于匀强磁场中，磁场的方向垂直纸面向里，磁感应强度为B.为了使小球能飘离平面，该匀强磁场在纸面移动的最小速度应为多少？方向如何？‎ 解析：磁场移动，小球不动时效果上相当于磁场不动，小球向相反方向动.要是移动速度最小，即产生洛伦兹力最小，此力方向应为竖直向上，大小恰与小球重力相等.‎ 故根据左手定则和平衡条件即可求解.‎ 设磁场移动的最小速度为v，则此时一定满足带电粒子所受洛伦兹力刚好克服重力，即大小与重力相等，方向向上.‎ 根据左手定则判断带电粒子应该向右运动，即匀强磁场向左运动.‎ 并且qvB=mg，解得：v=mg/qB 所以匀强磁场水平向左移动，速度大小为v=mg/qB.‎ 答案：mg/qB，向上 体验探究 问题:你能想办法定性地来观测一下带电粒子所受的磁场力是怎样的吗？‎ 导思:带电粒子要运动起来才会受磁场力作用，我们才能看到.‎ 探究:显像管电视机的原理就是带电粒子的偏转问题，我们可以拿一块磁性比较强的磁铁去靠近电视机，看一下它的图像有什么变化.‎