人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊PAGEPAGE11.2磁場對運動電荷的作用力〖學習目標〗1．通過實驗探究，感受磁場對運動電荷有力的作用。2．知道什么是洛倫茲力，會用左手定則判斷洛倫茲力的方向。3．了解洛倫茲力公式的推導過程，會用公式分析求解洛倫茲力。4．了解電視顯像管的基本構造和工作原理。〖新知探究〗一、洛倫茲力的方向1.定義：運動電荷在磁場中受到的磁場力叫洛倫茲力。2.磁場對運動電荷是否有力的作用磁場對運動電荷會產生力的作用磁場對運動電荷的作用力方向與磁場方向有關磁場對運動電荷的作用力大小與磁感應強度有關洛倫茲力定義：磁場對運動電荷的作用力叫做洛倫茲力。通電導線在磁場中受到的安培力，實際是洛倫茲力的宏觀表現。3.洛倫茲力方向的判斷左手定則：（1）伸開左手，使拇指與其余四指垂直，并且都與手掌在同一個平面內；讓磁感線從掌心進入，并使四指指向正電荷運動的方向，這時拇指所指的方向就是運動的正電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向。（2）若四指指向負電荷運動的反方向,那么拇指所指的方向就是負電荷所受洛倫茲力的方向。判斷洛倫茲力方向的步驟：（1）電流方向和電荷運動方向的關系。（2）F安的方向和洛倫茲力方向的關系。（3）電荷運動方向、磁場方向和洛倫茲力方向的關系。4.洛倫茲力的特點：（1）洛倫茲力的方向既垂直于磁場方向，又垂直于速度方向，即垂直于磁場和速度所組成的平面。（2）洛倫茲力對電荷不做功，即不改變速度的大小，只改變速度的方向。二、洛倫茲力的大小1.洛倫茲力大小的推導有一通電直導線長為l，橫截面積為S，電流為I，導線中單位體積的自由電荷數為n，每個自由電荷的電量為q，運動速率為v，向放入磁感應強度為B的勻強磁場中。導體受到的安培力：F=BIlI的微觀表達式：I=eq\f(Q,t)=eq\f(nSvtq,t)=nqSv自由電荷數：N=nlS每個自由電荷所受的洛倫茲力大?。篎=F當運動電荷的速度v方向與磁感應強度B方向的夾角為θ，電荷所受的洛倫茲力大小為：F＝Bqvsin_θ，即磁場對靜止電荷沒有力的作用。（1）當帶電粒子的運動方向與磁場方向平行時，洛倫茲力最小——F=0。（2）當帶電粒子的運動方向與磁場方向垂直時，洛倫茲力F最大。實驗表明：磁場越強（磁感強度越大）、電荷量越大、運動速度越快，電荷受到的洛倫茲力越大。當電荷運動方向跟磁場方向垂直時洛倫茲力的大小跟三個因素相關：磁感應強度B，電荷量q，電荷運動快慢v。洛侖茲力：F=qvB(v垂直B）（3）當帶電粒子的運動方向與磁場方向有一定方向時，洛倫茲力——F=qvBsinB、v夾角對洛倫茲力的影響：①當θ＝90°時，v⊥B，sinθ＝1，F洛＝qvB，即運動方向與磁場垂直時，洛倫茲力最大。②當v∥B時，θ＝0°，sinθ＝0，F洛＝0，即運動方向與磁場平行時，不受洛倫茲力。③若不垂直，F洛＝qvBsinθ。洛倫茲力與安培力的關系：①安培力是洛倫茲力的集體表現，洛倫茲力是安培力微觀表現。②大小關系：F安＝NF洛（N是導體中運動的電荷數）③方向關系：F安與F洛方向相同④F安與F洛本質都是磁場對運動電荷的作用力⑤洛倫茲力總不做功，而安培力可以做功。2.洛倫茲力和電場力的區別：（1）電荷在電場中一定受到電場力的作用,與其運動狀態無關；而電荷在磁場中不一定受到磁場力作用,只有相對于磁場運動且運動方向與磁場方向不平行的電荷才受磁場力作用。大?。篎電＝Eq，F洛=Bqvsinθ。（2）電荷所受電場力方向總是平行于電場線的切線方向；而電荷所受磁場力的方向總是既垂直于磁場方向，又垂直于運動方向。（3）電場力要對運動電荷做功（電荷在等勢面上運動除外）；而電荷在磁場中運動時，磁場力一定不會對電荷做功。洛倫茲力電場力性質磁場對在其中運動的電荷的作用力電場對放入其中電荷的作用力產生條件v≠0且v不與B平行電場中無論電荷處于何種狀態F≠0大小F＝qvB(v⊥B)F＝qE方向滿足左手定則F⊥B、F⊥v正電荷受力方向與電場方向相同，負電荷受力方向與電場方向相反做功情況任何情況下都不做功可能做正功、負功，也可能不做功作用效果只改變電荷運動的速度方向，不改變速度大小既可以改變電荷運動的速度大小，也可以改變電荷運動的方向三、電子束的磁偏轉電視顯像管的工作原理1.主要構造:電子槍（陰極）、偏轉線圈、熒光屏等2.電視顯像管原理：陽極發射電子，經過偏轉線圈，偏轉線圈產生的磁場和電子運動方向垂直，電子受洛倫茲力作用發生偏轉，偏轉后打在熒光屏上，使其發光。3.掃描在偏轉區的水平和豎直方向都加有偏轉磁場，其方向、強弱都在不斷變化，因此電子束打在熒光屏上的點也在不斷移動，這在電視技術中稱為掃描?！嫉淅觥嚼?．在下列四個選項中，正確標明了帶正電粒子所受洛倫茲力F方向的是()例2．關于安培力和洛倫茲力，下列說法正確的是()A．安培力和洛倫茲力是性質不同的兩種力B．安培力可以對通電導線做功，洛倫茲力對運動電荷一定不做功C．運動電荷在某處不受洛倫茲力作用，則該處的磁感應強度一定為零D．洛倫茲力既不能改變帶電粒子的動能，也不能改變帶電粒子的運動狀態例3．如圖所示，一個帶正電荷量為q的小帶電體處于垂直紙面向里的勻強磁場中，磁場的磁感應強度為B，若小帶電體的質量為m，為了使它對水平絕緣面正好無壓力，應該()A．使B的數值增大 B．使磁場以速率v＝eq\f(mg,qB)向上移動C．使磁場以速率v＝eq\f(mg,qB)向右移動 D．使磁場以速率v＝eq\f(mg,qB)向左移動例4．為了測量某化肥廠的污水排放量，技術人員在該廠的排污管末端安裝了如圖所示的流量計。該裝置由絕緣材料制成，長、寬、高分別為a、b、c，左右兩端開口，在垂直于上下表面方向加磁感應強度為B的勻強磁場，在前后兩個內側面固定有金屬板作為電極，污水充滿管口從左向右流經該裝置時，電壓表將顯示兩個電極間的電壓U。若用Q表示污水流量(單位時間內排出的污水體積)，下列說法正確的是()A．若污水中正離子較多，則前內側面比后內側面電勢高B．前內側面的電勢一定低于后內側面的電勢，與哪種離子多無關C．污水中離子濃度越高，電壓表的示數將越大D．污水流量Q與電壓U成正比，與a、b有關〖隨堂演練〗1．一束混合粒子流從一發射源射出后，進入如圖所示的磁場，分離為1、2、3三束粒子流，則下列選項不正確的是()A．1帶正電B．1帶負電C．2不帶電D．3帶負電2．兩個帶電粒子以相同的速度垂直磁感線方向進入同一勻強磁場，兩粒子質量之比為1∶4，電荷量之比為1∶2，則兩帶電粒子受洛倫茲力之比為()A．2∶1B．1∶1C．1∶2D．1∶43．運動電荷在磁場中發生偏轉，說明磁場對運動電荷有力的作用。將陰極射線管的兩極與高壓電源連接后，加上如圖所示的磁場，可觀察到從負極向右射出的高速電子流(電子帶負電)的偏轉情況是()A．平行紙面向上偏轉 B．平行紙面向下偏轉C．垂直紙面向里偏轉 D．垂直紙面向外偏轉4．如圖所示，在兩水平極板間存在勻強電場和勻強磁場，電場方向豎直向下，磁場方向垂直于紙面向里，一帶電粒子以某一速度沿水平直線通過兩極板。若不計重力，下列四個物理量中哪一個改變時，粒子運動軌跡不會改變？()A．粒子速度的大小 B．粒子所帶的電荷量C．電場強度 D．磁感應強度5．〖多選〗目前世界上一種新型發電機叫磁流體發電機，它的發電原理如圖所示，將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和負電的粒子，從整體來說呈中性)沿圖中所示方向噴射入磁場，磁場中有兩塊金屬板P、Q，這時金屬板上就聚集了電荷。下列說法正確的是()A．P板帶正電B．有電流從b經用電器流向aC．金屬板P、Q間的電場方向向上D．等離子體發生偏轉的原因是粒子所受洛倫茲力大于所受電場力

▁▃▅▇█參*考*答*案█▇▅▃▁〖典例精析〗例1．〖答案〗D〖解析〗根據左手定則可知，A項中洛倫茲力方向應該垂直紙面向里，故A錯誤；B項中洛倫茲力方向應該是垂直紙面向外，故B錯誤；C項中洛倫茲力方向應該豎直向下，故C錯誤；D項中洛倫茲力方向應該豎直向上，故D正確。例2．〖答案〗B〖解析〗安培力和洛倫茲力都是磁場力，A錯誤；洛倫茲力方向永遠與電荷運動方向垂直，所以洛倫茲力不做功，安培力是洛倫茲力的宏觀表現，它雖然對引起電流的定向移動的電荷不做功，但對導線可以做功，B正確；電荷的運動方向與磁感線方向平行時，洛倫茲力為零，但B不為零，C錯誤；洛倫茲力不改變帶電粒子的速度大小，但改變速度的方向，D錯誤。例3．〖答案〗D〖解析〗為使小帶電體對絕緣面無壓力，則應使它受到的洛倫茲力剛好平衡重力，磁場不動而只增大B，小帶電體在磁場里不受洛倫茲力，故A錯誤；磁場向上移動相當于小帶電體向下運動，受洛倫茲力向右，不能平衡重力，故B錯誤；磁場以速率v向右移動，等同于小帶電體以速率v向左運動，此時洛倫茲力向下，也不能平衡重力，故C錯誤；磁場以速率v向左移動，等同于小帶電體以速率v向右運動，此時洛倫茲力向上，由平衡條件可知，當qvB＝mg時，帶電體對水平絕緣面無壓力，此時v＝eq\f(mg,qB)，故D正確。例4．〖答案〗B〖解析〗由左手定則可判斷：若流動的是正離子，則正離子向里偏，前內側面電勢低于后內側面電勢；若流動的是負離子，則負離子向外偏，仍然是前內側面電勢低于后內側面的電勢，故A錯誤，B正確。污水穩定流動時，對任一離子，有qvB＝qE＝eq\f(qU,b)，所以U＝Bbv，電勢差與離子濃度無關，故C錯誤。流量Q＝Sv＝bc·eq\f(U,Bb)＝eq\f(cU,B)，可以看出流量與a、b均無關，故D錯誤?！茧S堂演練〗1．〖答案〗B〖解析〗根據左手定則，帶正電的粒子向左偏，即粒子1帶正電；不偏轉說明不帶電，即粒子2不帶電；帶負電的粒子向右偏，即粒子3帶負電。故選項B不正確。2．〖答案〗C〖解析〗帶電粒子的速度方向與磁感線方向垂直時，洛倫茲力F＝qvB，與電荷量成正比，與質量無關，C項正確。3．〖答案〗D〖解析〗電子流受到洛倫茲力作用發生偏轉，電子流帶負電，應用左手定則判斷洛倫茲力時，四指應指向電子流運動的反方向，磁感線垂直穿過掌心，則拇指垂直于紙面向外，故電子流垂直紙面向外偏轉，所以選項D正確。4．〖答案〗B〖解析〗帶電粒子在電場和磁場中做勻速直線運動，由平衡條件知qE＝qvB，同時消除q，可以看出，帶電粒子在電場和磁場中運動時，電場強度、磁感應強度以及帶電粒子速度的大小均能影響粒子的運動軌跡，而粒子所帶的電荷量不影響運動軌跡，選項A、C、D錯誤，選項B正確。5．〖答案〗AD〖解析〗根據左手定則知，帶正電的粒子向上偏轉，帶負電的粒子向下偏轉，則P板帶正電，Q板帶負電，故A正確；因為Q板帶負電，P板帶正電，所以電流從a經用電器流向b，故B錯誤；因為P板帶正電，Q板帶負電，所以金屬板間的電場方向向下，故C錯誤；等離子體發生偏轉的原因是粒子所受洛倫茲力大于所受電場力，故D正確。1.2磁場對運動電荷的作用力〖學習目標〗1．通過實驗探究，感受磁場對運動電荷有力的作用。2．知道什么是洛倫茲力，會用左手定則判斷洛倫茲力的方向。3．了解洛倫茲力公式的推導過程，會用公式分析求解洛倫茲力。4．了解電視顯像管的基本構造和工作原理。〖新知探究〗一、洛倫茲力的方向1.定義：運動電荷在磁場中受到的磁場力叫洛倫茲力。2.磁場對運動電荷是否有力的作用磁場對運動電荷會產生力的作用磁場對運動電荷的作用力方向與磁場方向有關磁場對運動電荷的作用力大小與磁感應強度有關洛倫茲力定義：磁場對運動電荷的作用力叫做洛倫茲力。通電導線在磁場中受到的安培力，實際是洛倫茲力的宏觀表現。3.洛倫茲力方向的判斷左手定則：（1）伸開左手，使拇指與其余四指垂直，并且都與手掌在同一個平面內；讓磁感線從掌心進入，并使四指指向正電荷運動的方向，這時拇指所指的方向就是運動的正電荷在磁場中所受洛倫茲力的方向。（2）若四指指向負電荷運動的反方向,那么拇指所指的方向就是負電荷所受洛倫茲力的方向。判斷洛倫茲力方向的步驟：（1）電流方向和電荷運動方向的關系。（2）F安的方向和洛倫茲力方向的關系。（3）電荷運動方向、磁場方向和洛倫茲力方向的關系。4.洛倫茲力的特點：（1）洛倫茲力的方向既垂直于磁場方向，又垂直于速度方向，即垂直于磁場和速度所組成的平面。（2）洛倫茲力對電荷不做功，即不改變速度的大小，只改變速度的方向。二、洛倫茲力的大小1.洛倫茲力大小的推導有一通電直導線長為l，橫截面積為S，電流為I，導線中單位體積的自由電荷數為n，每個自由電荷的電量為q，運動速率為v，向放入磁感應強度為B的勻強磁場中。導體受到的安培力：F=BIlI的微觀表達式：I=eq\f(Q,t)=eq\f(nSvtq,t)=nqSv自由電荷數：N=nlS每個自由電荷所受的洛倫茲力大小：F=F當運動電荷的速度v方向與磁感應強度B方向的夾角為θ，電荷所受的洛倫茲力大小為：F＝Bqvsin_θ，即磁場對靜止電荷沒有力的作用。（1）當帶電粒子的運動方向與磁場方向平行時，洛倫茲力最小——F=0。（2）當帶電粒子的運動方向與磁場方向垂直時，洛倫茲力F最大。實驗表明：磁場越強（磁感強度越大）、電荷量越大、運動速度越快，電荷受到的洛倫茲力越大。當電荷運動方向跟磁場方向垂直時洛倫茲力的大小跟三個因素相關：磁感應強度B，電荷量q，電荷運動快慢v。洛侖茲力：F=qvB(v垂直B）（3）當帶電粒子的運動方向與磁場方向有一定方向時，洛倫茲力——F=qvBsinB、v夾角對洛倫茲力的影響：①當θ＝90°時，v⊥B，sinθ＝1，F洛＝qvB，即運動方向與磁場垂直時，洛倫茲力最大。②當v∥B時，θ＝0°，sinθ＝0，F洛＝0，即運動方向與磁場平行時，不受洛倫茲力。③若不垂直，F洛＝qvBsinθ。洛倫茲力與安培力的關系：①安培力是洛倫茲力的集體表現，洛倫茲力是安培力微觀表現。②大小關系：F安＝NF洛（N是導體中運動的電荷數）③方向關系：F安與F洛方向相同④F安與F洛本質都是磁場對運動電荷的作用力⑤洛倫茲力總不做功，而安培力可以做功。2.洛倫茲力和電場力的區別：（1）電荷在電場中一定受到電場力的作用,與其運動狀態無關；而電荷在磁場中不一定受到磁場力作用,只有相對于磁場運動且運動方向與磁場方向不平行的電荷才受磁場力作用。大?。篎電＝Eq，F洛=Bqvsinθ。（2）電荷所受電場力方向總是平行于電場線的切線方向；而電荷所受磁場力的方向總是既垂直于磁場方向，又垂直于運動方向。（3）電場力要對運動電荷做功（電荷在等勢面上運動除外）；而電荷在磁場中運動時，磁場力一定不會對電荷做功。洛倫茲力電場力性質磁場對在其中運動的電荷的作用力電場對放入其中電荷的作用力產生條件v≠0且v不與B平行電場中無論電荷處于何種狀態F≠0大小F＝qvB(v⊥B)F＝qE方向滿足左手定則F⊥B、F⊥v正電荷受力方向與電場方向相同，負電荷受力方向與電場方向相反做功情況任何情況下都不做功可能做正功、負功，也可能不做功作用效果只改變電荷運動的速度方向，不改變速度大小既可以改變電荷運動的速度大小，也可以改變電荷運動的方向三、電子束的磁偏轉電視顯像管的工作原理1.主要構造:電子槍（陰極）、偏轉線圈、熒光屏等2.電視顯像管原理：陽極發射電子，經過偏轉線圈，偏轉線圈產生的磁場和電子運動方向垂直，電子受洛倫茲力作用發生偏轉，偏轉后打在熒光屏上，使其發光。3.掃描在偏轉區的水平和豎直方向都加有偏轉磁場，其方向、強弱都在不斷變化，因此電子束打在熒光屏上的點也在不斷移動，這在電視技術中稱為掃描。〖典例精析〗例1．在下列四個選項中，正確標明了帶正電粒子所受洛倫茲力F方向的是()例2．關于安培力和洛倫茲力，下列說法正確的是()A．安培力和洛倫茲力是性質不同的兩種力B．安培力可以對通電導線做功，洛倫茲力對運動電荷一定不做功C．運動電荷在某處不受洛倫茲力作用，則該處的磁感應強度一定為零D．洛倫茲力既不能改變帶電粒子的動能，也不能改變帶電粒子的運動狀態例3．如圖所示，一個帶正電荷量為q的小帶電體處于垂直紙面向里的勻強磁場中，磁場的磁感應強度為B，若小帶電體的質量為m，為了使它對水平絕緣面正好無壓力，應該()A．使B的數值增大 B．使磁場以速率v＝eq\f(mg,qB)向上移動C．使磁場以速率v＝eq\f(mg,qB)向右移動 D．使磁場以速率v＝eq\f(mg,qB)向左移動例4．為了測量某化肥廠的污水排放量，技術人員在該廠的排污管末端安裝了如圖所示的流量計。該裝置由絕緣材料制成，長、寬、高分別為a、b、c，左右兩端開口，在垂直于上下表面方向加磁感應強度為B的勻強磁場，在前后兩個內側面固定有金屬板作為電極，污水充滿管口從左向右流經該裝置時，電壓表將顯示兩個電極間的電壓U。若用Q表示污水流量(單位時間內排出的污水體積)，下列說法正確的是()A．若污水中正離子較多，則前內側面比后內側面電勢高B．前內側面的電勢一定低于后內側面的電勢，與哪種離子多無關C．污水中離子濃度越高，電壓表的示數將越大D．污水流量Q與電壓U成正比，與a、b有關〖隨堂演練〗1．一束混合粒子流從一發射源射出后，進入如圖所示的磁場，分離為1、2、3三束粒子流，則下列選項不正確的是()A．1帶正電B．1帶負電C．2不帶電D．3帶負電2．兩個帶電粒子以相同的速度垂直磁感線方向進入同一勻強磁場，兩粒子質量之比為1∶4，電荷量之比為1∶2，則兩帶電粒子受洛倫茲力之比為()A．2∶1B．1∶1C．1∶2D．1∶43．運動電荷在磁場中發生偏轉，說明磁場對運動電荷有力的作用。將陰極射線管的兩極與高壓電源連接后，加上如圖所示的磁場，可觀察到從負極向右射出的高速電子流(電子帶負電)的偏轉情況是()A．平行紙面向上偏轉 B．平行紙面向下偏轉C．垂直紙面向里偏轉 D．垂直紙面向外偏轉4．如圖所示，在兩水平極板間存在勻強電場和勻強磁場，電場方向豎直向下，磁場方向垂直于紙面向里，一帶電粒子以某一速度沿水平直線通過兩極板。若不計重力，下列四個物理量中哪一個改變時，粒子運動軌跡不會改變？()A．粒子速度的大小 B．粒子所帶的電荷量C．電場強度 D．磁感應強度5．〖多選〗目前世界上一種新型發電機叫磁流體發電機，它的發電原理如圖所示，將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和負電的粒子，從整體來說呈中性)沿圖中所示方向噴射入磁場，磁場中有兩塊金屬板P、Q，這時金屬板上就聚集了電荷。下列說法正確的是()A．P板帶正電B．有電流從b經用電器流向aC．金屬板P、Q間的電場方向向上D．等離子體發生偏轉的原因是粒子所受洛倫茲力大于所受電場力

▁▃▅▇█參*考*答*案█▇▅▃▁〖典例精析〗例1．〖答案〗D〖解析〗根據左手定則可知，A項中洛倫茲力方向應該垂直紙面向里，故A錯誤；B項中洛倫茲力方向應該是垂直紙面向外，故B錯誤；C項中洛倫茲力方向應該豎直向下，故C錯誤；D項中洛倫茲力方向應該豎直向上，故D正確。例2．〖答案〗B〖解析〗安培力和洛倫茲力都是磁場力，A錯誤；洛倫茲力方向永遠與電荷運動方向垂直，所以洛倫茲力不做功，安培力是洛倫茲力的宏觀表現，它雖然對引起電流的定向移動的電荷不做功，但對導線可以做功，B正確；電荷的運動方向與磁感線方向平行時，洛倫茲力為零，但B不為零，C錯誤；洛倫茲力不改變帶電粒子的速度大小，但改變速度的方向，D錯誤。例3．〖答案〗D〖解析〗為使小帶電體對絕緣面無壓力，則應使它受到的洛倫茲力剛好平衡重力，磁場不動而只增大B，小帶電體在磁場里不受洛倫茲力，故A錯誤；磁場向上移動相當于小帶電體向下運動，受洛倫茲力向右