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第一章 安培力与洛伦兹力
第2节 磁场对运动电荷的作用力
新教材人教版 物理（高中选择性必修第二册）
课堂引入
问题1：磁场对通电导线的作用力的大小和方向？
问题2：电流是如何形成的？
猜测：磁场对通电导线的安培力可能是作用在大量运动电荷上的作用力的宏观表现，也就是说磁场可能对运动电荷有力的作用。
思考与讨论
观察电子束在磁场中的偏转
磁场对运动电荷的作用力——洛伦兹力
洛伦兹（1853—1928）
洛伦兹力方向和大小有什么规律？
安培力
洛仑兹力
磁场对电流的作用
磁场对运动电荷的作用
因
果
微观原因
宏观表现
复习与思考：
1.我们是如何规定电流的方向的？
2.通电导线所受安培力的方向如何判断？
3.你认为洛伦兹力的方向如何判断？
安培力是洛伦兹力的宏观表现
一、洛伦兹力的方向
猜想：磁场对电流的作用力实质是磁场对运动电荷的作用力，洛伦兹力的方向可以用左手定则判定。
实验表明：
洛伦兹力的方向可以用左手定则判定。
一、洛伦兹力的方向
S
?
????
?
N
?
????
?
????
?
????
?
1.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，让磁感线垂直穿过手心，若四指指向正电荷运动的方向，那么拇指所指的方向就使正电荷所受洛伦兹力的方向。
2.若四指指向负电荷运动的反方向，那么拇指所指的方向就是负电荷所受洛伦兹力的方向。
①F 既与B 垂直又与v 垂直，即垂直于B 和v 所确定的平面，但B 与v 不一定垂直。
②洛伦兹力对电荷不做功,只改变粒子速度的方向，不改变粒子速度的大小。
注意
二、洛伦兹力的大小
①安培力是洛伦兹力的宏观体现
②洛伦兹力是安培力的微观本质
你能根据洛伦兹力与安培力关系，尝试推导速度垂直入射磁场时受到的洛伦兹力的大小吗？
- - - - -
- - - - -
I=nqvS
N=nLS
F=BIL
I
F安
F洛
安培力
洛伦兹力
F安=N·F洛
每个自由电荷所受的洛伦兹力大小 ：
?
当v∥B 时，F洛＝0，即运动方向与磁场平行时，不受洛伦兹力。
若此电荷不垂直射入磁场，电荷受到的洛伦兹力又如何呢？
二、洛伦兹力的大小
当电荷静止于磁场中时（v =0）: F洛＝0 (即静止电荷不受洛伦兹力)
????
?
????
?
????
?
????
?
????与????不垂直
?
v
v
v11
┴
v
B11
B
┴
洛伦兹力和电场力的比较
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}比较项目
洛伦兹力F
电场力F
性质
磁场对运动电荷的作用力
电场对电荷的作用力
产生条件
v≠ 0且v不与B平行
电场中的电荷一定受到电场力作用
大小
F ＝qvB(v⊥B)
F ＝qE
力方向与场方向的关系
一定是F⊥B，F⊥v
正电荷与电场方向相同，负电荷与电场方向相反
做功情况
任何情况下都不做功
可能做正功、负功或不做功
力F为零时场的情况
F为零，B不一定为零
F为零，E一定为零
作用效果
只改变电荷运动的速度方向，不改变速度大小
既可以改变电荷运动的速度大小，也可以改变电荷运动的方向
二、洛伦兹力的大小
三、洛伦兹力的实际应用
应用一：电子束的磁偏转
电子枪
电子束
荧光屏
偏转线圈
????
?
??
?
????
?
原理图
显像管的原理：
① 电子枪发射高速电子
② 电子束在磁场中偏转
③ 荧光屏被电子束撞击时发光
显像管
思考与讨论：
1.要使电子束在水平方向偏离中心，打在荧光屏的A点，偏转磁场应该沿什么方向？
2.要使电子束打在荧光屏的B点，偏转磁场应该沿什么方向？
3.要使电子束打在荧光屏的位置由B点逐渐向A点移动，偏转磁场应该怎样变化？
三、洛伦兹力的实际应用
应用一：电子束的磁偏转
俯视图
显像管电视机工作原理
电子枪
电子束
荧光屏
偏转线圈
????
?
????
?
????
?
三、洛伦兹力的实际应用
应用二：速度选择器
平行板中电场强度E 和磁感应强度B 互相垂直，这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器。请思考它能选择出来多大的速度的粒子？
①若qE=qvB，粒子将以速度v 做匀速直线,穿出速度选择器。
②若
向上偏，电场力做负功，电势能增大，动能减小
③若
向下偏，电场力做正功，电势能减小，动能增大
不仅选择速度的大小，还选择速度的方向。
三、洛伦兹力的实际应用
应用三：磁流体发电机
平行金属板之间有一个很强的磁场，将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子）喷入磁场，电荷在洛伦兹力偏转运动到两金属板，让两金属板带上等量异种电荷，这样两极板间便产生了电势U,U会不断增大吗？
B
v
v
v
v
U
qE
qvB
当Bqv＝qE
得：U＝Bdv
原理图
N
?
S
?
等离子体
????
?
????
?
三、洛伦兹力的实际应用
应用四：霍尔元件
如图所示，厚度为h、宽度为d 的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B 的匀强磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A 和下侧面A′ 之间会产生电势差U，这种现象称为霍尔效应。
原理：外部磁场对运动电子的洛伦兹力使电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成电场。电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的电场力。当电场力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上、下两侧面之间就会形成稳定的电势差，此电势差被称为霍尔电压。
I＝nqvS，S＝hd 联立得
式中的比例系数 称为霍尔系数．
三、洛伦兹力的实际应用
现象：极光及极光的形成
极光（Aurora），是在地球南北两极附近地区的高空，夜间出现的灿烂美丽的光辉。在南极被称为南极光，在北极被称为北极光。下面请欣赏极光美景。
地球的极光是来自地球磁层或太阳的高能带电粒子流（太阳风）使高层大气分子或原子激发（或电离）而产生。
思考：带电粒子为什么只在地球的两极或维度较高的地方引起极光？
四、课堂小结
洛伦兹力
定义
方向
大小
左手定则
公式
应用
F=qvB

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