1、1江西省上饶县中学高二物理选修 3-1 教案：运动电荷在磁场中受到的力一、教学目标 1知识与技能(1)知道什么是洛伦兹力。利用左手定则判断洛伦兹力的方向。(2)知道洛伦兹力大小的推理过程。(3)掌握垂直进入磁场方向的带电粒子，受到洛伦兹力大小的计算。(4)了解 v 和 B 垂直时的洛伦兹力大小及方向判断。理解洛伦兹力对电荷不做功。(5)了 解电视显像管的工作原理。2过程与方法通过观察，形成洛伦兹力的概念，同时明确洛伦兹力与安培力的关系(微观与宏观)，洛伦兹力的方向也可以用左手定则判断。通过思考与讨论，推导出洛伦兹力的大小公式FqvBsin。最后了解洛伦兹力的一个应用电视显像管中的磁偏转。3情感
2、态度与价值观引导学生进一步学会观察、分析、推理，培养学生的科学思维和研究方法。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” 。二、教学重点难点 重点：1.利用左手定则会判断洛伦兹力的方向。洛伦兹力大小计算公式的推导和应用。2掌握垂直进入磁场方向的带电粒子，受到洛伦兹力大小的计算。难点：1.洛伦兹力对带电粒子不做功。2洛伦兹力方向的判断。洛伦兹力计算公式的推导。三、教学用具 电子射线管、高压电源、磁铁、多媒体。四、教学过程（一）导入新课 前面我们学习了磁场对电流的作用力，下面思考两个问题：1如 图判定安培力的方向(让学生上黑板做)若已知上图中：B4.010 2 T，导线长 L10
3、 cm，I1 A。求：导线所受的安培力大小？学生解答解：FBIL41 02 T1 A0.1 m410 3 N答：导线受的安培力大小为 4103 N。2什么是电流？学生答电荷的定向移动形成电流。2教师讲述磁场对电流有力的作用，电流是由电荷的定向移动形成的，我们会想到：这个力可能是作用在运动电荷上的，而安培力是作用在运动电荷上的力的宏观表现。演示实验观察磁场阴极射线在磁场中的偏转(95 页图 3.51)教师说明电子射线管的原理：说明阴极射线是灯丝加热放出电子，电子在加速电场的作用下高速运动而形成的电子流，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，磁铁是用来在阴极射线周围产生磁场的
4、，还应明确磁场的方向。实验结果在没有外磁场时，电子束沿直线运动，蹄形磁铁靠近电子射线管，发现电子束运动轨迹发生了弯曲。学生用左手定则判断电子束弯曲方向。学生分析得出结论磁场对运动电荷有作用力（二）推进新课 1洛伦兹力的方向和大小(1)洛伦兹力的定义：运动电荷在磁场中受到的作用力。通电导线在磁场中所受安培力是洛伦兹力的宏观表现。【说明】 可以根据磁场对电流有作用力而对未通电的导线没有作用力，引导学生提出猜想：磁场对电流作用力的实质是磁场对运动电荷的作用力。过渡语运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用，那么洛伦兹力的方向如何判断呢？问题如图(2)洛伦兹力的方向判定安培力方向。(上图甲中安培力方向为垂直
5、电流方向向上，乙图安培力方向为垂直电流 方向向下)电流方向和电荷运动方向的关 系。(电流方向与正电荷运动方向相同，与负电荷运动方向相反)F 安 的方向和洛伦兹力方向的关系。(F 安 的方向与正电荷所受的洛伦兹力的方向相同，与负电荷所受的洛伦兹力的方向相反。)电荷运动方向、磁场方向、洛伦兹力方向的关系。(学生分析总结)洛伦兹力方向的判断左手定则伸开左手，使大拇指与其余四指垂直且处于同一平面内，把手 放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，若四指指向正电荷运动的方向，那么拇指所受的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向；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。【要使学生明
6、确】 正电荷运动方向应与左手四指指向一致，负电荷运动方向则应与左手四指指向相反(先确定负电荷形成电流的方向，再用左手定则判定)。Error!投影出示练习题“问题与练习”1试判断下图中所示的带电粒子刚进入磁场时所受的洛伦兹力的方向。3学生解答甲中正电荷所受的洛伦兹力方向向上。乙中正电荷所受的洛伦兹力方向向下。丙中正电荷所受的洛伦兹力方向垂直于纸面指向读者。丁中正电荷所受的洛伦兹力的方向垂直于纸面指向纸里。讨论 B、v、F 三者方向间的相互关系。如图所示。甲 v 与 B 垂直 乙 v 与 B 不垂直洛伦兹力与粒子运动方向、磁感应强度方向的关系学生：F 总垂直于 B 与 v 所在的平面。B 与 v
7、可以垂直，可以不垂直。(3)洛伦兹力的大小现在我们来研究一下洛伦兹力的大小。通过“思考与讨论” ，来推导公式 FqvBsin时，应先建立物理模型(教材图 3.53)，再循序渐进有条理地推导，这一个过程可放手让学生完成，体现学习的自主性。也可以通过下面的命题引导学生一一回答。设有一段长度为 L 的通电导线，横截面积为 S，导线每单位体积中含有的自由电荷数为 n，每个自由电荷的电量为 q，定向移动的平均速率为 v，将这段导线垂直于磁场方向放入磁感应强度 为 B 的磁场中。问题这段导线中电流 I 的微观表达式是怎样的？让学生推导后回答。学生答I 的微观表达式为 InqSv问题这段导体所受的安培力为多
8、大？学生答F 安 BIL问题这段导体中含有多少自由电荷数？学生答这段导体中含有的电荷数为 nLS。问题每个自由电荷所受的洛伦兹力大小为多大？学生答安培力可以看作是作用在每个运动电荷上的洛伦兹力 F 的合力，这段导体中含有的自由电荷数为 nLS，所以 FF 安 /nLSBIL/nLSnqvSLB/nLSqvB。问题当运动电荷的速度 v 方向与磁感应强度 B 的方向不垂直时，设夹角为 ，则电荷所受的洛伦兹力大小为多大？(4)洛伦兹力的计算公式当粒子运动方向与磁感应强度垂直时(vB) FqvB当粒子运动方向与磁感应强度方向成 时 FqvBsin上两式各量的单位：F 为牛(N)，q 为库伦(C)，v
9、为米/秒(m/s)，B 为特斯拉(T)4最后，通过“思考与讨论” ，说明 由洛伦兹力所引起的带电粒子运动的方向总是与洛伦兹力的方向相垂直的，所以它对运动的带电粒子总是不做功的。Error!1电子的速率 v310 6 m/s，垂直射入 B0. 10 T 的匀强磁场中，它受到的洛伦兹力是多大？分析求解：FqvB1.6010 19 31060.104.810 14 N2来自宇宙的质子流，以与地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一点，则这些质子在进入地球周围的空间时，将_A竖直向下沿直线射向地面B相对于预定地面向东偏转C相对于预定点稍向西偏转D相对于预定点稍向北偏转分析解答：B。地球表面地磁场方向由南向
10、北，质子是氢原子核带正电，根据左手定则可判定，质子自赤道上空竖直下落过程中受洛伦兹力方向向东。2电视机显像管的工作原理教师：引导学生阅读教材相关内容，思考并回答问题。电子束是怎样实现偏转的？如图所示：显像管原理示意图(俯视图)问题 1：要使电子打在 A 点，偏转磁场应该沿什么方向？问题 2：要使电子打在 B 点，偏 转磁场应该沿什么方向？问题 3：要使电子打在荧火屏的位置从 A 点向 B 点逐渐移动，偏转磁场应该怎样变化？答：1.要使电子打在 A 点，偏转磁场应该垂直纸面向外。2.要使电子打在 B 点，偏转磁场应该垂直纸面向里。3.要使电子打在荧光屏的位置从 A 点向 B 点逐渐移动，偏转磁场
11、应该先垂直纸面向外并逐渐减小，然后垂直纸面向里并逐渐增大。电子打在荧光屏上只能有一个亮点，为什么整个荧光屏都能发光？学生阅读教材，进一步了解显像管的工作过程。最后让学生回忆“示波管的原理” ，通过对比比较二者的差异。3实例探究洛伦兹力的方向例 1 关于带电粒子所受洛伦兹力 F 和磁感应强度 B 及粒子速度 v 三者之间的关系，下列说法中正确的是( )AF、B、v 三者必定均保持垂直BF 必定垂直于 B、v ，但 B 不一定垂直于 vCB 必定垂直于 F、v，但 F 不一定垂直于 vDv 必定垂直于 F、B，但 F 不一定垂直于 B解析：根据左手定则，洛伦兹力垂直于 B，也垂直于 v，垂直于 B
12、 与 v 所决定的平面，但 B 与 v 不一定垂直。答案：B例 2 如图所示的是磁感应强度 B、正电荷速度 v 和磁场对电荷的作用力 F 三者方向的5相互关系图(其中 B 垂直于 F 与 v 决定的平面，B、F、v 两两垂直)。其中正确的是 ( )答案：D洛伦兹力的大小例 3 如图所示，匀强磁场方向水平向里，匀强电场方向竖直向下，有一正离子恰能沿直线从左向右水平飞越此区域。则( )A若电子从右向左飞入，电子也沿直线运动B若电子从右向左飞入，电子将向上偏转C若电子从右向左飞入，电子将向下偏转D若电子从左向右飞入，电子也沿直线运动解析：若电子从右向左飞入，电场力向上，洛伦兹力也向上，所以上偏，B 正确。若电子从左向右飞入，电场力向上，洛伦兹力向下。由题意，对正电荷 qEBqv，与 q 无关，所以对电子二者也相等，所以电子从左向右飞，做匀速直线运动。答案：BD例 4 一个长螺线管中通有电流，把一个带电粒子沿中轴线方向射入(若不计重力影响)，粒子将在管中( )A做圆周运动B沿轴线来回运动C做匀加速直线运动D做匀速直线运动解析：通电长螺线管内部的磁场方向始终与中轴线平行，带电粒子沿磁场方向运动时，不受洛伦兹力，所以一直保持原运动状态不变，正确答案是 D。答案：D4对本节内容作简要小结：学生先自我小结，分组展示相互补充，教师点评归纳。5布置作业：课本“问题与练习”3、4、5 题。
