运动电荷在磁场中所受的力课件

× × × ×
R
B
速 度 选 择 器
× ×
× ×
mv R= qB' 可知： 可知：对于同位素粒子 m大，R 大；m小，R小 大 小
- × Fe - × B’
E
× + fL + × v + × ×
B
速 度 选 择 器 胶片屏
× 这样， 这样，不同质量的粒子 在胶片屏上留下不同的 × 痕迹——质谱线。 质谱线。 痕迹 质谱线
3.霍尔效应的应用 ① 测量半导体的性质 半导体根据掺杂不同， 半导体根据掺杂不同，有空穴型 （p型）半导体，和电子型（n型）半 型 半导体，和电子型（ 型 导体。 导体。 P型半导体的主要载流子为正电荷； 型半导体的主要载流子为正电荷； 型半导体的主要载流子为正电荷 n型半导体的主要载流子为负电荷； 型半导体的主要载流子为负电荷； 型半导体的主要载流子为负电荷
VH fL Fe I v
B
b E d
为霍尔系数。 为霍尔系数。
IB VH = RH d
2.讨论
IB VH = RH d 1 RH = nq
1.由于导体内有大量的自由电荷，n 较大， 由于导体内有大量的自由电荷， 较大， 由于导体内有大量的自由电荷 RH 较小，故导体的霍尔效应较弱。 较小，故导体的霍尔效应较弱。 2.而半导体界于导体与绝缘体之间，其 而半导体界于导体与绝缘体之间， 而半导体界于导体与绝缘体之间 内的自由电荷较少，n 较小，RH 较大， 内的自由电荷较少， 较小， 较大， 故半导体的霍尔效应显著。 故半导体的霍尔效应显著。
Fe = qE
f L = qvB
当粒子速度 v 较大时， 较大时， Fe< fL， 粒子向右偏转被右 极板吸收。 极板吸收。

方向的判断： 左手定则
大小的计算： F BIL sin
2电流是如何形成的？
电流是由电荷的定向移动形成的 3、猜想:磁场是不是可能对运动电荷有 力的作用？
演示：阴极射线在磁场中的偏转
1 、没有磁场时，接通高压电源可以观 察到什么现象。
2、光束实质上是什么？ 3、若在电子束的路径上加磁场，可以 观察到什么现象？ 4、改变磁场的方向，通过观查从而判 断运动的电子在各个方向磁场中的受力 方向。
I=nqsv
F安＝ILB＝（nqsv）LB
总电荷数：nsL
f洛＝qVB
(适用条件：速度方向与磁场方向垂直)
如果通电导线不和磁场方向垂直，怎么办？
速度v与磁场B的方向夹角为θ时
F Bqv sin (为B与v的夹角）
1、当一带正电q的粒子以速度v沿螺线管中轴线进入 该通电螺线管，若不计重力，则 [ CD ] A．带电粒子速度大小改变； B．带电粒子速度方向改变； C．带电粒子速度大小不变； D．带电粒子速度方向不变。
四、洛伦兹力的特点
（1）、洛伦兹力的方向既垂直于磁场 方向，又垂直于速度方向，即垂直于 磁场和速度所组成的平面。
（2）、洛伦兹力对电荷不做功，即不 改变速度的大小，只改变速度的方向。
五、电视显像管的工作原理
五、电视显像管的工作原理
主要构造: 电子枪（阴极）、偏 转线圈、荧光屏等
【思考与讨论】
1.安培力是洛伦兹力的宏观表现． 2.洛伦兹力是安培力的微观本质
二、洛伦兹力的方向
推理：左手定则判断安培力方向，大量定
向移动电荷所受洛伦兹力宏观表现为安培 力，因此，可以用左手定则判定洛伦兹力 的方向．
实验验证：洛伦兹力的方向可以用左 手定则判定

B
B O t
-B
（2）从B 开始至A连续变化（教材上）
B O -B
B
t
五、 典 例 分 析（下一节课任务------预习）
1、霍尔效应
（1）霍尔元件 2、速度选择器 （1）选择原理 （2）决定因素 3、磁流体发电机 （1）工作物质 （2）电动势 （3）无关因素 （2）霍尔电压
◆ 课 堂 小 结
一、f与F的关系 二、洛伦兹力的方向 三、洛伦兹力的大小
v B 时，
f qvB
角 时，
v
与
B
成

f qvB sin
（3） f qV B sin qV B （4）
f q V sin B qV B
V )

V sin V
B
)
V

B
B B sin
3. 三个场力的比较 （1）电荷在电场中?受到电场力，但 电荷在磁场中却?受到洛伦兹力； ① V=0 ②
手掌 四指
拇指
指向电流I方向
安培力F方向
4、四种信息的相互推断
V V
总结：三缺一 5、再论三个方向的关系
V f
f
（1）安培力F总是垂直于B、I决定的平面，但B与I可以不垂直；
（2）洛伦兹力f
f
B
v
f
★★★ 类 比
I
I
I
Fmax ILB
V
Fmin 0
四、电视显像管的工作原理
v B
（2）安培力可以对通电导线做功，但 洛伦兹力却永远不会对电荷做功 洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小
四、电视显像管的工作原理
1. A三个特殊点 （1） A点 B向外 B竖直向上

若有一段长度为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的匀强磁场中。 [推导] 这段导体所受的安培力： F=BIL I的微观表达式：I=nqsv 这段导体中含有的自由电荷数：
若有一段长度为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的匀强磁场中。 [推导] 这段导体所受的安培力： F=BIL I的微观表达式：I=nqsv 这段导体中含有的自由电荷数：N=nLs
F洛 qvB (v⊥B）
特例:
F洛 0
(v∥B）
[课堂练习]
电子的速率v=3.0×106m/s，沿着
与磁场垂直的方向射入B=0.10T的匀强
磁场中，它受到的洛伦兹力是多大？
[课堂练习]
电子的速率v=3.0×106m/s，沿着
与磁场垂直的方向射入B=0.10T的匀强
磁场中，它受到的洛伦兹力是多大？
4.8×10-14N
[课堂练习]
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ຫໍສະໝຸດ C. 相对于预定点稍向西偏转
D. 相对于预定点稍向北偏转
v
[课堂练习]
来自宇宙的质子流，以与地球表面垂直
F安 BIL nqvSLB f qvB nLS nLS nLS
电荷量为q的粒子以速度v运动时，如果速 度方向与磁感应强度方向垂直，那么粒子所受 的洛伦兹力为： F qvB (v垂直B）

× × ×
+
+
V
FL
+ +
V
+
V
V
垂直纸面向外 垂直纸面向里
FL
× × ×
FL
V
× × ×
× × ×
V
V
FL=0
FL=0
2.为了研究某种放射源发出的未知射线，物 理探究者把放射源置于匀强磁场中，射线 分裂成a、b、c三束，请分析三束射线的电 性。
a带正电 b带负电
c不带电
3.电子的速率v=3×106 m/s，垂直 射入B=0.10 T的匀强磁场中，它受 到的洛伦兹力是多大？
设有一段长为L，横截 面积为S的直导线，单位 体积内的自由电荷数为n， 每个自由电荷的电荷量为 q，自由电荷定向移动的 速率为v.这段通电导线垂 直磁场方向放入磁感应强 度为B的匀强磁场中，求 洛伦兹力
v
v
v v
(1)通电导线中的电流 I nqvS (2)通电导线所受的安培力 F安 BIL B ( nqvS ) L (3)这段导线内的自由电荷数
15.4 磁场对运动电荷的 作用
• 太阳喷射出的带 电粒子（称太阳 风）受地球磁场 的作用而进入地 球的两极地区， 轰击高层大气气 体使其电离的彩 色发光现象称为 极光
知识回顾
判断下列图中安培力的方向：
F F
电流是如何形成的？
导体中的电流是由电荷的定向移动产生的
磁场对通电导线（电流）有力的作用，而电流是电 荷的定向运动形成的，由此你会想到了什么？
N nSL
(4)每个电荷所受的洛伦兹力
v
I v
F
F洛
F安 N

B ( nqvS ) L nSL

(2)尽管安培力是自由电荷定向移动时受到的洛伦兹力 的宏观表现，但也不能认为安培力就简单地等于所有定向移 动电荷所受洛伦兹力的和，一般只有当导体静止时才能这样 认为；
(3)洛伦兹力恒不做功，但安培力却可以做功．
可见安培力与洛伦兹力既有紧密相关、不可分割的必然 联系，也有显著的区别．
3．洛伦兹力与电场力的比较
2．在研究电荷的运动方向与磁场方向垂直的情况时， 由左手定则可知，洛伦兹力的方向既与磁场方向垂直，又与 电荷的运动方向垂直，即洛伦兹力垂直于v和B两者所决定的 平面．
3．由于洛伦兹力的方向总是跟运动电荷的速度方向垂 直，所以洛伦兹力对运动电荷不做功，洛伦兹力只能改变电 荷速度的方向，不能改变速度的大小．
图3－5－2
有 Q＝nqL＝nq·vt，I＝Qt ，F 安＝BIL，故 F 安＝BQt L＝Bnqtvt·L＝Bqv·nL，洛伦兹力 F＝F 安/nL，故 F＝qvB.
上式为电荷垂直磁场方向运动时，电荷受到的洛伦 兹力．
2．洛伦兹力和安培力的区别与联系
(1)洛伦兹力是单个运动电荷在磁场中受到的力，而安 培力是导体中所有定向移动的自由电荷受到的洛伦兹力的宏 观表现；
2．带电粒子在复合场中运动的分析方法和思路 (1)正确进行受力分析，除重力、弹力、摩擦力外要特 别注意电场力和洛伦兹力的分析．
(2)确定带电粒子的运动状态，注意运动情况和受力情 况的结合．
(3)灵活选择不同的运动规律 ①当带电粒子在复合场中做匀速直线运动时，粒子受 力必然平衡，由平衡条件列方程求解．
磁场对运动电荷的作用力
一、洛伦兹力
1．演示实验：电子射线管发出的电子束，如图甲中的径迹是
乙中一电条子直束线的径．迹把向电下子射发线生管了放偏在转蹄，形若磁调铁换的磁磁铁场南中北，极如的图位3置－，5－则1 电子束的径迹会向上偏转．

【例 4】一个电子穿过某一空间而未发生偏转，则( A．此空间一定不存在磁场 B．此空间一定不存在电场 C．此空间可能只有匀强磁场，方向与电子速度垂直 D．此空间可能有相互正交的匀强磁场和匀强电场
)
解析：电子穿过某一空间而未发生偏转，说明电子可能不 受外力，可能合外力为零或外力的方向与速度方向在一直线上． 当 v∥B 或 B＝0 时，洛伦兹力为零，电子不偏转，A 错误；速 度 v⊥B 时，洛伦兹力不为零，且与 v 垂直，必偏转，C 错误； 电子在电场中所受的静电力和运动方向在同一直线上时，电子 运动方向不发生偏转，B 错误；当电子所受静电力和洛伦兹力 平衡时也不发生偏转，故 D 正确．
1．洛伦兹力方向的判断 (1)左手定则：伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并
且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心进入，并使四指 指向正电荷运动的方向，这时拇指所指的方向就是运动的正电 荷在磁场中所受洛伦兹力的方向．
(2)判断负电荷在磁场中运动受洛伦兹力的方向，四指要指 向负电荷运动的相反电荷受力的方向________．
3．洛伦兹力的大小 带电量为 q 的粒子，以速率 v 进入磁感应强度为 B 的匀强 磁场中： (1) 当带电粒子的运动方向与磁场方向平行时，洛伦兹力 0 f＝__________. (2) 当带电粒子的运动方向与磁场方向垂直时，洛伦兹力 f
qvB ＝__________. (3)当带电粒子的运动方向与磁场方向的夹角为θ时，洛伦兹
太阳风是一种连续存在，来自太阳并以 200～800 km/s 的 速度运动的带电粒子流．太阳风对地球的影响很大，当它抵达 地球时，往往引起很大的磁暴，且会在地球两极形成绚丽多彩 如同梦幻般的极光．
图 3－5－1
讨论： 洛伦兹力 (1)运动电荷在磁场中受到的力称为__________，力的方向 左手 可用______定则来判断． (2)为什么会在地球两极形成极光？ 太阳风是太阳喷射出的带电粒子流，当太阳风进入地磁场 时，由于地磁场的作用，太阳风中的带电粒子进入地球南北两 极地区，两极的高层大气，受到太阳风的轰击后会发出光芒， 形成极光．

1
1
2
当电流不变时， A I d I (2 1) 1
1、2分别是在1和2位置时经过线圈旳磁通量。
在匀强磁场中，一种任意载流回路在磁场中变化位 置或变化形状时，磁力旳功（或磁力矩旳功）亦为
A I
3、对于变化旳电流或非匀强场
A 2 Id 或 A 2 Md
1
1
显示正电子存在 旳云室照片及其 摹描图
正电子
B
电子
1930年狄拉克预 言自然界存在正
铝板 电子
（3）假如v0 与 B 斜交成角
v// v0 cos v v0 sin
粒子作螺旋运动
R mv T 2m
qB
qB
d
v//T
v//
2m
qB
v
v0
•
v//
B
0
应用 磁聚焦
磁聚焦
在均匀磁场中点A发射一束初速度相差不大旳带电 粒子,它们旳运动方向与磁场方向之间旳夹角不同, 但都较小,这些粒子沿半径不同旳螺旋线运动,因螺 距近似相等,相交于屏上同一点(A’),此现象称为 磁聚焦 .
Ek
mv 2
2
q2 B2 R02 2m
我国于 1994年建成 旳第一台强 流质子加速 器 ，可产生 数十种中短 寿命放射性 同位素 .
3 霍耳效应(了解)
B
霍耳电压U H Fm
RH
IB d
b
d
vd+
++
+q
+
+
- - - - - I
UH
Fe
qEH qvd B I qnvd S qnvdbd
在受控热核反应中用来约束等离子体

所以D错误；故选B。
２.阴极射线管中电子束由阴极沿x轴正方向射出，在荧光屏上出现如图所示的一
条亮线。要使该亮线向z轴正方向偏转，可加上沿(
A
B
)
z轴正方向的磁场
B y轴负方向的磁场
C x轴正方向的磁场
D
y轴正方向的磁场
【解析】若加一沿z轴正方向的磁场，根据左手定则，洛伦兹力方向沿y轴正方向，亮线向y轴正方
生命带来灾难，地球也因此无法孕育生命。但由于地磁场的存在改变了宇宙射线中带电粒子的运动方
向，使得很多高能带电粒子不能到达地面。下面说法中正确的是（ D ）
A．地磁场直接把高能带电粒子给反射回去
B．只有在太阳内部活动剧烈时，地磁场才对
射向地球表面的宇宙射线有阻挡作用
C．地磁场会使沿地球赤道平面垂直射向地球
第一章 安培力与洛伦兹力
§1.2
磁场对运动电荷的作用力
复 习
1、磁场对通电导线的作用力的大小和方向？
大小：F＝BILsinθ
2、电流是如何形成的？
方向：左手定则
电荷的定向移动形成的
3、由上述的两个问题你能够想到什么？
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。
(5)显像管中偏转线圈中的电流恒定时，电子打在荧光屏上的位置是不变的。( √ )
(6)当判断运动电荷在磁场中所受的洛伦兹力时，要让四指指向电荷的运动方
向。(×)
４．科学家预言，自然界存在只有一个磁极的磁单极子，磁单极子N的磁场分布如图
甲所示，它与如图乙所示正点电荷Q的电场分布相似。假设磁单极子N和正点电荷Q
运动方向与电场力的方向无关；由甲图中洛仑兹力方向，根据左手定则可知，从上往下看，带电小

太阳磁暴
地磁场的磁层分布图
宇宙射线
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 高能粒子流若都到达地球， 将对地球上的生物带来危害。 但由于地球周围存在磁场， 在洛伦兹力的作用下，改变 了宇宙射线中带电粒子的运 动方向，从而对宇宙射线起 了一定的阻挡作用。
思考与讨论
2、（书98页第4题）如图所示，磁流体发电机是一项新兴技术， 它可以把物体的内能直接转化为电能。平行金属板A、B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，A、B两板间便产生电压。如果把A、 B和用电器连接，A、B就是一个直流电源的两个电极。 （1）图中A、B板哪一个是发电机的正极。
v
F洛
思考与讨论
如图所示，若将电荷的运动方向和磁场的方 向同时反向，则洛伦兹力的方向是不是也跟 着反向？
v
F洛
结论：当电荷的运动方向和磁场方向 同时反向时，洛伦兹力方向不变。
思考与讨论
磁场对通电导线能产生安培力的作用， 当磁场方向与电流方向垂直时，安培力的 大小为F安=BIL，而电流就是电荷的定向移 动形成的，那么，磁场对运动电荷所产生 的洛伦兹力与安培力有什么关系？洛伦兹 力的大小又与什么因素有关？ 1、通电导线在磁场中所受的安培力就是 洛伦兹力的宏观表现。 2、研究表明，洛伦兹力的大小与电荷的运 动方向及磁场的方向有关。
洛伦兹力(Lorentz force)
1、定义：运动电荷在磁场中受到的作用力，叫 洛伦兹力。 2、洛伦兹力的方向：
v
F洛
F洛
v
洛伦兹力的方向 实验结论：洛伦兹力的方向既 跟磁场方向垂直F⊥B，又跟电方荷 的运动方向垂直F⊥v，故洛伦兹力 的方向总是垂直于磁感线和运动电 荷所在的平面，即：F安⊥Bv平面 伸开左手： 磁感线——垂直穿入手心 四指—— ①指向正电荷的运动方向 ②指向负电荷运动的反向 大拇指—— 所受洛伦兹力的方向