磁场对运动电荷的作用

磁场对运动电荷的作用
授课人：监利县朱河中学----黄尚鹏

一、学情分析
学生已完成了电流及安培力的学习，在思维方法方面，已具备了一定的探究能力、逻辑思
维能力及推算能力。但是日常生活中我们无法用肉眼观察到运动电荷，学生对电荷在磁场中的
运动缺乏感性认知。由于学生习惯于形象思维，缺少理论研究的经历，所以对本节课的学习造
成一定的困难。

二、教学目标
1、知识与技能
(1)知道什么是洛伦兹力，能用左手定则判断洛伦兹力的方向
(2)能推导洛伦兹力大小的公式
(3)理解洛伦兹力对电荷不做功
(4)了解显像管的工作原理

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，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。感受物理的自
然美，体会物理与生活、社会的密切联系，产生学习的热情和愿望。

三、重点与难点：
重点：1.通过实验，体会磁场对运动电荷的作用
2.理解、参与洛仑兹力的公式推导过程，并能用洛仑兹力公式进行计算
3.能用左手定则判断洛伦兹力的方向.
难点：1.洛伦兹力公式的推导

2.磁场、电荷运动、洛伦兹力三者方向的空间三维关系
四、教具：电子射线管、高压电源、磁铁、多媒体
五、教学课时：1课时
六、教学过程：
【引入新课】
［思考与联想］ 前面我们学习了磁场对电流的作用力—安培力.磁场对电流有力的作用，
电流是由电荷的定向移动形成的，我们自然会猜想：这个力有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。
【新课讲解】

［演示实验］观察磁场是否对运动电荷有作用。

［教师］说明电子射线管的原理：从阴极发射出来的电子，在阴阳两极间的高压作用下，
使电子加速形成电子束，轰击到长条形的荧光屏上激发出荧光，可以显示出电子束的运动轨迹。
［实验结果］在没有外磁场时，电子束沿直线运动，将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，当改变磁场方向时，电子束的偏转方向也随之改变。
［分析得出结论］磁场对运动电荷有力的作用，这个作用力叫做洛伦兹力
（1）洛伦兹力：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，洛仑兹力是安培力的微观本质。
［过渡语］运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用，那么洛伦兹力的大小如何呢？
（2）洛伦兹力的大小

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，导线单位体积内的自由电荷数为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？让学生推导后回答。
［学生］I的微观表达式为I=nqSv
［问题］这段导体所受的安培力为多大？
［学生］F=BIL
［问题］这段导体中含有多少个自由电荷数？
［学生］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多大？
［学生］安培力可以看作是作用在每个运动电荷上的洛伦兹力的合力，这段导体中含有的
自由电荷数为nLS,所以每个自由电荷所受的洛伦兹力

qvBnLSnqvSLBnLSBILnLSFf
安
各量的单位：f为牛（N），q为库仑（C），v为米/秒（m/s）,B为特斯拉（T）
适用条件：v⊥
B
洛伦兹力的计算公式

① 当粒子运动方向与磁感应强度方向垂直时（v┴B） f= qvB
-q
-q

② 当粒子运动方向与磁感应强度方向平行时（v∥B） f =0
［问题］若电荷不垂直射入磁场，电子受到的洛伦兹力又如何呢？
③ 当粒子运动方向与磁感应强度方向成θ角时 f = qvBsinθ

（3）洛伦兹力方向的判断——左手定则
［问题］如图
① 判定安培力方向.（图甲中安培力方向为垂直电流方
向向上，乙图安培力方向为垂直电流方向向下）

② 电流方向和电荷运动方向的关系.（电流方向和正电
荷运动方向相同，和负电荷运动方向相反）

③ 安培力的方向和洛伦兹力方向的关系.
④ 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）
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
穿入手心，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)。

⑤ 磁场、电荷运动、洛伦兹力三者方向的空间关系（多媒体展示）
［投影出示练习题］----“问题与练习”

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.

［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
丙中负电荷所受的洛伦兹力的方向垂直于纸面指向纸里.
丁中负电荷所受的洛伦兹力的方向垂直于纸面指向读者.
最后，通过“思考与讨论”，说明带电粒子运动的方向总是与洛伦兹力的方向垂直，所以它
对运动的带电粒子总是不做功，并比较电场和磁场对电荷的作用力

(4) 应用、信息

运动电荷在磁场中受洛仑兹力作用，运动方向会发生偏转．高能的宇宙射线的大部分不能
射到地球上，就是地磁场对射线中的带电粒子的洛仑兹力改变了其运动方向，对地球上的生物
起着保护作用．
１、极光现象
在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中，有一种能量被称为“太阳风”。这是一束可以覆
盖地球的强大的带电亚原子颗粒流，该太阳风在地球上空环绕地球流动，以大约每秒400公里
的速度撞击地球磁场，磁场使该颗粒流偏向地磁极下落，它们与氧和氮的原子碰撞，击走电子，
使之成为激发态的离子，这些离子发射不同波长的辐射，产生出红、绿或蓝等色的极光特征色
彩，形成极光。在南极地区形成的叫南极光，在北极地区同样可看到这一现象，一般称之为北
极光。

２、显像管的工作原理
（1）原理 ：应用电子束磁偏转的道理
（2）构造 ：由电子枪（阴极）、偏转线圈、荧光屏等组成
认清偏转线圈的位置、形状，然后运用安培定则和左手定则说明从电子枪射出的电子束是
怎样在洛伦兹力的作用下发生偏转的。
【课堂练习】

1.如图3所示，一个带正电q的小带电体处于垂直纸面向里的匀强磁场中，磁感应强度为B，
若小带电体的质量为m，为了使它对水平绝缘面正好无压力，求该带电体的速度？

2.一长螺线管通有变化的电流，把一个带电粒子(重力不计)沿管中心轴线射入管中，粒子将在管
中 ( C )

A. 做圆周运动 B. 沿轴线来回运动
C. 做匀速直线运动 D. 做匀加速直线运动
3.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 ( B )

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
4.一束粒子中有带正电的，有带负电的，还有不带电的。要把它们分开，可有哪些办法？
【课堂小结】
1、安培力是洛仑兹力的宏观表现, 洛仑兹力是安培力的微观本质。
2、洛伦兹力的大小：
（1）当v⊥B时：f= q v B
（2）当v∥B时，f= 0
（3）当v与B之间有一定夹角时，f = q v B sin θ

3、洛伦兹力的方向用左手定则来判断。

qB
mg
v