资源简介

1.3 洛伦兹力
新粤教版（2019）高中物理选择性必修第二册 第一章
新课引入
磁场对通电导体有安培力的作用，而导线中的电流是由电荷定向移动形成的，那么磁场对运动电荷会产生力的作用吗？其作用力的大小和方向有什么规律？
为什么在地球两极会出现极光现象？
在如图所示的实验装置中，阴极射线管两端被加上高电压。此时，阴极射线管内形成了一束电子束。
（１）当用无磁性的玻璃棒、橡胶棒靠近阴极射线管时，观察电子束的运动方向是否发生改变．
（２）当蹄形磁铁（或条形磁铁）靠近阴极射线管，使磁场方向与电子束前进方向垂直时，观察电子束运动方向是否发生改变．
思考并讨论上述实验现象说明了什么.
在如图所示的实验装置中，阴极射线管两端被加上高电压。此时，阴极射线管内形成了一束电子束。
上述实验表明，当没有外磁场时，阴极射线管中的电子束沿直线前进． 当磁场方向与电子束前进方向垂直时，电子束运动径迹发生了弯曲，表明磁场对电子束产生了作用力．
1895年，荷兰物理学家洛伦兹（Ｈ.Ａ.lorentz，1853-1928）公布了磁场对运动电荷的作用力公式． 为了纪念他，人们将磁场对运动电荷产生的作用力称为洛伦兹力（lorentz force）．
洛伦兹力
阴极射线管两端被加上高电压后，阴极射线管中的电子沿直线前进。改变磁铁方向即改变磁场方向，观察不同情况下电子偏转方向，并将实验结果记入表中。
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}磁场方向
电子运动方向
电子偏转方向






?
?
结论：
（1）电子偏转方向与磁场方向、电子运动方向有关；
（2）当运动电荷的速度方向与磁场方向平行时，运动电荷不受洛伦兹力；
（3）当运动电荷的速度方向与磁场方向垂直时，运动电荷受到洛伦兹力，其方向既与磁场方向垂直，又与速度方向垂直。
左手定则：
伸开左手，使大拇指与四指垂直，且都与手掌在同一个平面内，让磁感线垂直穿过手心，并使四指指向正电荷的运动方向，这时大拇指所指方向就是正电荷在该磁场中所受洛伦兹力的方向。
洛伦兹力的方向
思考：请问洛伦兹力的方向有何特点？
（1）在用左手定则判断运动的电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向时，对于正电荷，四指指向电荷的运动方向；但对于负电荷，四指应指向电荷运动的反方向。
（2）洛伦兹力的方向总是与电荷运动方向和磁场方向垂直，即洛伦兹力的方向总是垂直于电荷运动方向与磁场方向所决定的平面。
洛伦兹力的方向
左手定则：
试判定图中各带电粒子所受洛伦兹力的方向或带电粒子的运动方向
【课堂练习】
f
v
v
v
（e)f洛的方向垂直纸面向外
【情境】如图所示，通电直导线处于磁感应强度大小为B 的匀强磁场中，导线中电流方向与磁场方向垂直，电流强度为I 。导线长度为L ，横截面积为S ，单位体积中含有自由电荷数为n ，每个自由电荷的电量为q ，定向移动的平均速率为v 。
【思考问题】
（1）导线受到的安培力多大？
（2）导线中自由电荷的总数是多少？总电量是多少？
（3）导线中的电流如何计算？
利用安培力表达式推导洛伦兹力大小的表达式
【情境】如图所示，通电直导线处于磁感应强度大小为B 的匀强磁场中，导线中电流方向与磁场方向垂直，电流强度为I 。导线长度为L ，横截面积为S ，单位体积中含有自由电荷数为n ，每个自由电荷的电量为q ，定向移动的平均速率为v 。
利用安培力表达式推导洛伦兹力大小的表达式
（4）设每个自由电荷受到的洛伦兹力为f，则安培力与洛伦兹力之间有什么关系？
（5）如何表示每个自由电荷受到的洛伦兹力f ？
（6）当电荷运动的方向与磁场的方向夹角为θ时，每个自由电荷所受的洛伦兹力又如何表示？
1、当电荷在垂直于磁场的方向上运动时，洛伦兹力的大小：
3、洛伦兹力的方向总是与电荷运动方向垂直，因此洛伦兹力不做功。
2、当电荷运动的方向与磁场的方向夹角为θ时，洛伦兹力的大小：
4、安培力是洛伦兹力的宏观表现。
洛伦兹力的大小
洛伦兹力与安培力的区别和联系
洛伦兹力????
安培力????
区别
洛伦兹力是指单个运动的带电粒子所受到的磁场力
安培力是指通电直导线所受到的磁场力
洛伦兹力不做功
安培力可以做功
联系
①安培力是洛伦兹力的宏观表现，洛伦兹力是安培力的微观解释
②大小关系：F=Nf(N是导体中定向运动的电荷数)
③方向关系：洛伦兹力与安培力的方向一致，均可用左手定则进行判断
区别
洛伦兹力是指单个运动的带电粒子所受到的磁场力
安培力是指通电直导线所受到的磁场力
洛伦兹力不做功
安培力可以做功
联系
①安培力是洛伦兹力的宏观表现，洛伦兹力是安培力的微观解释
②大小关系：F=Nf(N是导体中定向运动的电荷数)
③方向关系：洛伦兹力与安培力的方向一致，均可用左手定则进行判断
【例题】如图所示，来自太阳和其他星体的宇宙射线含有大量高能带电粒子，幸好由于地磁场的存在而改变了这些带电粒子的运动方向，使很多带电粒子不能到达地面，避免了其对地面上生命的危害。已知北京上空某处由南指向北的磁感应强度为1.2×10-4 T，如果有一速率v=5.0×105m/s、电量q=1.6×10-19C的质子竖直向下运动穿过此处的地磁场。
（1）此时该质子受到的洛伦兹力是多大？向哪个方向偏转？
（2）在地球两极出地磁场方向可近似认为垂直于地面，在赤道出地磁场方向可近似认为有地理南极指向地理北极。那么，地球两极处和赤道处相比，哪个区域地磁场对高能带电粒子的阻挡效果更好？为什么？
【例题】如图所示，来自太阳和其他星体的宇宙射线含有大量高能带电粒子，幸好由于地磁场的存在而改变了这些带电粒子的运动方向，使很多带电粒子不能到达地面，避免了其对地面上生命的危害。已知北京上空某处由南指向北的磁感应强度为1.2×10-4 T，如果有一速率v=5.0×105m/s、电量q=1.6×10-19C的质子竖直向下运动穿过此处的地磁场。
解：（１）已知质子运动方向与地磁场方向垂直，根据洛伦兹力计算公式，得f=qvb=1.6×10-19×5.0×105×1.2×10-4N=9.6×10-18N
根据左手定则可知，质子受到的洛伦兹力由西向东，因此质子向东偏转．
（２）由于地球两极处地磁场可近似认为垂直于地面，因此竖直向下的带电粒子运动方向与两极处的磁场方向平行，在南北两极不受洛伦兹力，地磁场对宇宙射线的阻挡效果较弱．而在赤道附近，地磁场的方向由地理南极指向地理北极，带电粒子运动方向与磁场的方向垂直，带电粒子受到了洛仑兹力的作用，所以对宇宙射线的阻挡效果强．
结合本节所学的知识，尝试解释为什么在地球两极会出现极光现象？
来自太阳和其他星体的宇宙射线含有大量的高能带电粒子，地球上的极光正是这些高能带电粒子与高层大气中的原子碰撞造成的发光现象。由于地球两极处的地磁场可近似认为垂直地面，因此竖直向下的带电粒子运动方向与两极处的磁场方向平行，在南北两极不受洛伦兹力，地磁场对宇宙射线的阻挡效果较弱，使得有大量的高能带电粒子可以进入到地球上空的高层大气，与高层大气中的原子碰撞，从而在地球两极处出现极光现象。
2.洛伦兹力的大小:
(1)当 v//B 时，????=????
?
(2)当v垂直于B时，????=????????????
?
课堂小结
1.洛伦兹力的方向:左手定则
(3)当v与B夹角成????时，????=????????????sin????
?
（1） （2） （ 3） （4）
1.（多选）如图所示，匀强磁场的磁感应强度为B，带电粒子的速率为v，带电荷量为q，下列带电粒子所受洛伦兹力的大小和方向正确的是（　　）
AD
练习
A. 图（1）为 f洛=qvB ，方向与v垂直斜向上
B. 图（2）为 f洛=qvB ，方向与v垂直斜向下
C. 图（3）为 f洛=qvB ，方向垂直纸面向外
D. 图（4）为f洛=????????qvB ，方向垂直纸面向里
?
练习
2． 关于洛伦兹力，下面三名同学有着不同的看法．
同学甲：运动电荷在磁感应强度不为零的地方，一定受到洛伦兹力的作用；而运动电荷在某处不受洛伦兹力作用，则该处的磁感应强度一定为零．
同学丙：一个电子穿过某一空间未发生偏转，此空间可能有相互正交的匀强磁场和匀强电场．
他们的看法是否正确？为什么？
同学乙：洛伦兹力对带电粒子不做功，因此既不能改变带电粒子的动能，也不能改变带电粒子的速度．
根据运动电荷在磁场中所受洛伦兹力的表达式，f=qvbsinθ,θ为v与B的夹角．可知，当B≠0, 0=0°或θ=180°时，f=0,故同学甲看法错误；由于洛伦兹力始终与运动电荷的速度垂直，故洛伦兹力只改变速度方向，不改变其大小，即不改变其动能，但是速度是矢量，方向变了速度也就变了，故同学乙看法错误；当某一空间存在相互正交的匀强磁场和匀强电场时，且电子运动方向也与磁场与电场方向垂直时，电子受到的洛伦兹力与电场力有可能方向相反，且大小也有可能相等，电子不发生偏转，故同学丙看法正确。
3． 科研人员在检测某种物质时，发现该物质发出的射线在磁场中分裂为多束，如图所示，该现象说明了什么？
根据左手定则可知，图中向左偏转的射线带正电；向右偏转的射线带负电；不发生偏转的射线不带电；说明该物质放出的是三种不同的射线。
练习
4．为了诊断病人的心脏功能和动脉中血液黏滞情况，可使用电磁流量计测量血管中血液的流速和流量． 如图所示是电磁流量计测量血管中血液流速的示意图，使血管处于磁感应强度为Ｂ的匀强磁场中，测得血管两侧电压为Ｕ． 已知血管的直径为ｄ， 假定血管中各处液体的流速ｖ相同，忽略重力影响．
（１）管壁上点ａ和点ｂ，哪一点的电势高？
（２）试求血管中血液的流速ｖ．
解：（1)设血液中正负离子向右流动的速度为v,根据左手定则，在洛伦兹力作用下，正离子向管道a的一侧集中，而负离子向管道b一侧集中，两者则点a电势高于点b,之间形成电势差。
练习
（2)当正负离子受到电场力与洛伦兹力平衡时，离子不再偏移，此时ab间有稳定的电势差，形成一个匀强电场，对血液中的带电离子，有????????????=???????????? 解得v=????????????

展开更多......

收起↑