1、第四节 磁场对运动电荷的作用本节教材分析洛伦兹力同安培力一样,也是磁场性质的具体表现,在实际中有广泛的应用,回旋加速器就是一个著名的实例.教材根据“磁场对电流有力的作用”和“电流是由电荷的定向移动形成的”这两点事实,提出磁场对运动电荷有作用力的设想,然后用实验来验证,在此基础上引入洛伦兹力概念.这样处理有利于学生接受,对培养学生的思维能力,使他们掌握科学的研究方法也有所帮助.同时,这也为由安培力公式推导洛伦兹力公式做了铺垫.由安培力公式F=BIL导出洛伦兹力公式F=qvB是一个重要的推导,有利于培养学生的抽象思维能力和逻辑推理能力.教材首先建立了导线中电流的微观物理模型:导线中单位长度上自由电
2、子数为n,都以速度v定向运动.在这个物理模型基础上,推导电流I跟自由电子运动速度v之间的关系式I=nqvS.这是得到洛伦兹力公式的关键一步.1.洛伦兹力的引入:教材根据磁场对电流有作用力和电流是电荷的定向移动提出假设:磁场对运动电荷有作用力,再通过实验验证得出存在洛伦兹力的结论.“假设实验验证”体现了科学的思维方法.要让学生体会借助实验证明洛伦兹力存在是非常重要的一步.因此,要注意讲清楚实验原理:电子束的产生荧光屏上的径迹磁场对电子束的作用.要让学生注意观察电子束是否偏转.2.洛伦兹力方向:教材直接指出洛伦兹力方向仍用左手定则判断,但强调要注意正电荷运动方向与电流方向相同,负电荷运动方向与电流
3、方向相反.教学实践表明,学生在初用左手定则时容易犯一个错误:把四指指向电荷运动方向而忘了区分电荷的正负.我们要强调左手定则中四指的方向是指电流的方向,对负电荷一定要注意其运动方向与电流方向相反.实验现象中电子束的偏转方向与电子束运动方向、磁场方向间的关系是验证左手定则很好的例子.可让学生用左手定则判定后再演示实验现象作为验证.与安培力的方向一样,应再一次强调洛伦兹力的方向一定是既与电荷运动速度方向垂直,也与磁场方向垂直,即洛伦兹力垂直于速度v与磁场B所在的平面.可补充电荷运动速度方向不一定垂直磁场方向,它们间可有任意的角度.3.洛伦兹力的大小:教师要注意引导学生推导洛伦兹力的公式F=qvB.
4、教学目标一、知识目标1.知道什么是洛伦兹力.知道电荷运动方向与磁感应强度的方向平行时,电荷受到的洛伦兹力最小,等于零;电流方向与磁感应强度方向垂直时,电荷受到的洛伦兹力最大,等于qvB.2.会用公式F=qvB解答有关问题.3.会用左手定则解答有关带电粒子在磁场中受力方向的问题.二、能力目标1.通过推导洛伦兹力的公式,培养学生的分析推理能力.2.通过演示实验,培养学生的观察能力.三、德育目标让学生认真体会科学研究最基本的思维方法:“推理假设实验验证”教学重点1.会计算带电粒子垂直进入匀强磁场时所受的洛伦兹力大小.2.会用左手定则判断洛伦兹力方向.教学难点1.利用F实=BIL和I=nqvS推导洛伦
5、兹力的公式F=qvB.2.确定导线中含有的运动电荷数nLS.教学方法实验法、分析推理法.教学用具电子射线管、电源、磁铁、投影仪、投影片.课时安排1课时教学过程一、引入新课师(出示投影片)在下图所示装置中,导体棒ab处在垂直纸面向里的匀强磁场中,试判断ab棒所受安培力的方向.生根据左手定则,ab棒受到的安培力的方向竖直向下.师导体棒ab中的电流是如何形成的?生电荷的定向移动形成电流.师 磁场对电流有力的作用,电流是电荷的定向移动形成的.由此自然会想到:这个力可能是作用在运动电荷上的,而作用在通电导线上的安培力是作用在运动电荷上的力的宏观表现.让我们用实验来检验这一猜想.演示电子束在磁场中的偏转.
6、师介绍电子射线管的原理.从阴极发射出来的电子,在阴阳两极间的高压作用下,使其加速,形成电子束,轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光,可以显示电子束的运动轨迹.实验现象在没有外加磁场时,电子束沿直线运动;如果把射线管放在蹄形磁铁的两极间,荧光屏上显示的电子束运动的径迹发生了弯曲.实验结论运动电荷确实受到了磁场力的作用.师物理上把磁场对运动电荷的作用力叫做洛伦兹力,这节课我们学习洛伦兹力的方向和大小.二、新课教学1.洛伦兹力的方向师运动电荷在磁场中所受的洛伦兹力方向可以用左手定则来判断.投影左手定则的内容:伸开左手,使大拇指跟其余四个手指垂直,且处于同一平面内,把手放入磁场中,让磁感线垂直穿入手心,四
7、指指向正电荷运动的方向,那么,拇指的指向就是正电荷所受洛伦兹力的方向.强调当运动的电荷为负电荷时,四指应指向负电荷运动的反方向.投影判断带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力方向.生甲图(1)中正电荷所受的洛伦兹力方向向上.生乙图(2)中正电荷所受的洛伦兹力方向向下.生丙图(3)中正电荷所受的洛伦兹力方向垂直纸面向外.生丁图(4)中正电荷所受的洛伦兹力方向垂直纸面向里.2.洛伦兹力的大小师下面我们根据导线中运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现,就是它受到的安培力来计算单个运动电荷所受到的洛伦兹力的大小.设有一段长度为L的通电导线,横截面积为S,单位体积中含有的自由电荷数为n,每个自由电荷的电荷量为q,定
8、向移动的平均速率为v.则导线中的电流I等于多大?生根据电流的微观实质,导线中的电流I=nqvS.师导线垂直于磁场方向放入磁感应强度为B的匀强磁场中,导线受到的安培力有多大?生F安=BIL师将I=nqvS代入F安=BIL，能得到什么？生F安=nqvSBL师这段导线中含有的运动电荷数为多少？生nLS师安培力F安可以看做是作用在每个运动电荷上的洛伦兹力F的合力，则每个电荷所受的洛伦兹力多大？生由F=得，F=qvB师使用该公式计算时，各物理量的单位分别取什么？生F（N），q(C)，v(m/s)，B(T).师该公式的适用条件是什么？生电荷的运动方向与磁场方向垂直.师该公式用文字如何表述？生当电荷在垂直于
9、磁场的方向上运动时，磁场对运动电荷的洛伦兹力F等于电荷量q、速率v、磁感应强度B三者的乘积.师带电粒子在磁场中运动时,洛伦兹力对带电粒子是否做功?说明理由.生洛伦兹力对运动电荷不做功.因为洛伦兹力的方向与粒子的运动方向垂直,洛伦兹力只改变速度的方向,不改变速度的大小.师运动的电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用,运动方向会发生偏转,这一点对地球上的生命有什么意义? 生运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用，运动方向会发生偏转，这一点对于地球上的生命来说有十分重要的意义.从太阳或其他星体上，时刻都有大量的高能粒子流放出，称为宇宙射线，这些高能粒子流，如果都到达地球，将对地球上的生物带来危害.庆幸的是，地球
10、周围存在地磁场，地磁场改变宇宙射线中带电粒子的运动方向，对宇宙射线起了一定的阻挡作用.师宇宙射线是穿透力极强的辐射线，它们来自宇宙空间，从各个方向射向地球，20世纪初，我们想要获得一个不受辐射影响的实验环境，总是不能如愿，即使深入矿井内部，仍然摆脱不开宇宙射线穿透性辐射的干扰.1912年，奥地利物理学家海斯乘气球升空去探寻这些辐射的来源，他发现，在气球上升过程中，辐射不是减弱而是增强了，后来又发现，两极地区的辐射更为强大，说明它似乎受地球磁场的影响，表明它含有带电粒子（如质子），宇宙射线中的带电粒子在穿越地磁场过程中，受到地磁场对它们的洛伦兹力的作用，运动方向会发生偏转，对宇宙射线有一定的阻挡
11、作用，大大减弱了到达地球表面的宇宙射线.三、小结本节课主要学习了以下几个问题：1.磁场对运动电荷的作用力叫做洛伦兹力.2.洛伦兹力的方向可以用左手定则判断.3.当带电粒子的运动方向与磁场方向垂直时,洛伦兹力的大小F=qvB.4.洛伦兹力对运动电荷不做功.四、作业1.练习三、（1）（2）（3）2.查阅资料了解地磁场的知识与宇宙射线的有关知识.五、板书设计六、本节优化训练设计1.在只受洛伦兹力的条件下，关于带电粒子在匀强磁场中的运动，下列说法正确的有A.只要粒子的速度大小相同，带电量相同，粒子所受洛伦兹力大小就相同B.洛伦兹力只改变带电粒子的运动方向C.洛伦兹力始终与速度垂直，所以洛伦兹力不做功D
12、.洛伦兹力始终与速度垂直，所以粒子在运动过程中的动能、动量保持不变2.如图所示，一只阴极射线管，左侧不断有电子射出，若在管的正下方放一通电直导线AB时，发现射线的径迹往下偏，则A.导线中的电流从A流向BB.导线中的电流从B流向AC.若要使电子束的径迹向上偏，可以通过改变AB中的电流方向来实现D.电子束的径迹与AB中的电流方向无关3.如图，在真空中匀强电场的方向竖直向下，匀强磁场方向垂直于纸面向里，3个油滴a、b、c带有等量同种电荷，其中a静止，b向右匀速运动，c向左匀速运动，比较它们重力的关系，正确的是A.Ga最大B.Gb最小C.Gc最大D.Gb最大4.如图所示，铜质导电板置于匀强磁场中，通电
13、时铜板中电流方向向下，由于磁场的作用，则A.板左侧聚集较多电子，使b点电势高于a点B.板左侧聚集较多电子，使a点电势高于b点C.板右侧聚集较多电子，使a点电势高于b点D.板右侧聚集较多电子，使b点电势高于a点参考答案：1.解析：带电粒子在匀强磁场中所受的洛伦兹力的大小不但与速度的大小有关，而且与速度的方向有关，当带电粒子的速度方向与磁场方向垂直时，粒子所受的洛伦兹力最大；当粒子的速度方向与磁场方向平行时，带电粒子不受洛伦兹力的作用.速度大小相同的粒子，沿不同方向进入磁场时所受的洛伦兹力的大小不同，所以选项A不正确.由于洛伦兹力的方向始终与速度方向垂直，所以洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的
14、大小，动能保持不变，洛伦兹力不做功；但在洛伦兹力的作用下，粒子的运动方向要发生变化，动量就要发生变化，所以本题的正确选项应为B、C.答案：BC2.解析：由于AB中通有电流，在阴极射线管中产生磁场，电子受到洛伦兹力的作用而发生偏转，由左手定则可知，阴极射线管中的磁场方向垂直纸面向内，所以根据安培定则，AB中的电流方向应为从B流向A，当AB中的电流方向变为从A流向B，则AB上方的磁场方向变为垂直纸面向外，电子所受的洛伦兹力变为向上，电子束的径迹变为向上偏转，所以本题的正确答案应为B、C.答案：BC3.解析：由a静止可以判定它不受洛伦兹力作用，它所受的重力与电场力平衡，如右图所示，由电场力方向向上可
15、知，a一定带负电，因3个油滴带有同种电荷，所以B、C也一定带等量的负电，所受电场力相同，大小都为F=qE,由于b、c在磁场中做匀速运动，它们还受到洛伦兹力作用，受力如图所示，由平衡条件得Ga=qE，Gb=qEF1，Gc=qE+F2，所以有GcGaGb，故B、C正确.答案：BC4.解析：铜板导电是靠自由电子的定向移动，电流方向向下，则电子相对磁场定向移动方向向上，根据左手定则，电子受洛伦兹力方向向右，致使铜板右侧聚集较多电子，左侧剩余较多正离子，板中逐渐形成方向向右的水平电场，直到定向移动的自由电子受到的洛伦兹力与水平电场力平衡为止，所以由于磁场的作用，整个铜板左侧电势高于右侧，即ab.答案：Cw.w.w.k.s.5.u.c.o.m