第十讲 磁场对电流和运动电荷力的作用 学生.docx
- 文档编号:6813801
- 上传时间:2023-01-10
- 格式:DOCX
- 页数:19
- 大小:371.42KB
第十讲 磁场对电流和运动电荷力的作用 学生.docx
《第十讲 磁场对电流和运动电荷力的作用 学生.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第十讲 磁场对电流和运动电荷力的作用 学生.docx(19页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
第十讲磁场对电流和运动电荷力的作用学生
第10讲磁场对电流和运动电荷的作用
第1课时通电导线在磁场中受到的力
知识要点:
★安培力
(1)安培力大小F=BIL.式中F、B、I要两两垂直,L是有效长度.若载流导体是弯曲导线,且导线所在平面与磁感强度方向垂直,则L指弯曲导线中始端指向末端的直线长度.
(2)安培力的方向由左手定则判定.
(3)安培力做功与路径有关,绕闭合回路一周,安培力做的功可以为正,可以为负,也可以为零,而不像重力和电场力那样做功总为零.
考点剖析:
磁场对电流的作用:
1.安培力的方向
左手定则:
伸开左手,使大拇指跟其余四个手指垂直,并且跟手掌在同一个平面内,把左手放入磁场中,让磁感线垂直穿入手心,并使伸开的四指指向电流方向,那么,拇指所指的方向,就是通电导线在磁场中的受力方向。
一般情形的安培力方向法则:
结论:
电流和磁场可以不垂直,但安培力必然和电流方向垂直,也和磁场方向垂直,用左手定则时,磁场不一定垂直穿过手心,只要不从手背穿过就行。
【课堂演练】判断下图中导线A所受磁场力的方向。
2.安培力的大小
通电导线(电流为I、导线长为L)和磁场(B)方向垂直时,通电导线所受的安培力的大小:
F=BIL(最大)。
两种特例:
即F=ILB(I⊥B)和F=0(I∥B)。
一般情况:
当磁感应强度B的方向与导线成θ角时,有F=ILBsinθ。
注意:
尽管公式F=ILB是从公式B=F/IL变形而得的,但两者的物理意义却有不同。
①公式B=F/IL是根据放置于给定磁场中的给定点上的检验电流(电流元)受力情况,来确定这一位置的磁场的性质,它对任何磁场中的任何点都是适用的。
②公式F=ILB则是在已知磁场性质的基础上,确定在给定位置上给定的一小段通电直导线的受力情况,在中学阶段,它只适用于匀强磁场。
注意安培力与库仑力的区别:
电荷在电场中某一点受到的库仑力是一定的,方向与该点的电场方向要么相同,要么相反。
而电流在磁场中某处受到的磁场力,与电流在磁场中放置的方向有关,电流方向与磁场方向平行时,电流受的安培力最小,等于零;电流方向与磁场方向垂直时,电流受的安培力最大,等于BIL,一般情况下的安培力大于零,小于BIL,方向与磁场方向垂直。
3.磁电式电流表
(1)电流表的组成及磁场分布
构造:
磁铁、铝框、线圈、螺旋弹簧、极靴、指针、铁质圆柱等构件。
电流表的组成:
永久磁铁、铁芯、线圈、螺旋弹簧、指针、刻度盘.(最基本的是磁铁和线圈)
注意:
a.铁芯、线圈和指针是一个整体;b.蹄形磁铁内置软铁是为了(和铁芯一起)造就辐向磁场;c.观察——铁芯转动时螺旋弹簧会形变。
[实物图]
电流表中磁铁与铁芯之间是均匀辐向分布的。
所谓均匀辐向分布,就是说所有磁感线的延长线都通过铁芯的中心,不管线圈处于什么位置,线圈平面与磁感线之间的夹角都是零度.该磁场并非匀强磁场,但在以铁芯为中心的圆圈上,各点的磁感应强度B的大小是相等的。
4.课堂巩固与练习
(1)将长度为20cm、通有0.1A电流的直导线放入一匀强磁场中,电流与磁场的方向如图所示,已知磁感应强度为1T。
试求出下列各图中导线所受安培力的大小和方向。
(2)如图所示,一根长为L的细铝棒用两个倔强系数为k的弹簧水平地悬吊在匀强磁场中,磁场方向垂直于纸面向里,当棒中通以向右的电流I时,弹簧缩短Δy;若通以向左的电流,也是大小等于I时,弹簧伸长Δy,则磁感应强度B为( )
A.kΔy/IL B.2kΔy/IL
C.kIL/Δy D.2IL/kΔy
【课堂追踪】
图3-4-16中的通电导线在磁场中受力分析正确的是( )
图3-4-16
在图3-4-17所示的电路中,电池均相同,当开关S分别置于a、b两处时,导线MM′与NN′之间的安培力的大小分别为Fa、Fb,可判断两段导线( )
图3-4-17
A.相互吸引,Fa>Fb B.相互排斥,Fa>Fb
C.相互吸引,Fa 图3-4-18 由导线组成的直角三角形框架放在匀强磁场中(如图3-4-18所示),若导线框中通以如图方向的电流时,导线框将( ) A.沿与ab边垂直的方向加速运动 B.仍然静止 C.以c为轴转动 D.以b为轴转动 关于磁电式电流表的以下说法,正确的是( ) A.指针稳定后,游丝形变产生的阻力与线圈所受到的安培力方向是相反的 B.通电线圈中的电流越大,电流表指针的偏转角度越大 C.在线圈转动的范围内,各处的磁场都是匀强磁场 D.在线圈转动的范围内,线圈所受安培力大小与电流大小有关,与所处位置无关 图3-4-19 如图3-4-19所示,一根长L=0.2m的金属棒放在倾角θ=37°的光滑斜面上,并通过I=5A的电流,方向如图所示,整个装置放在磁感应强度B=0.6T竖直向上的匀强磁场中,金属棒恰能静止在斜面上,则该棒的重力为多少? (sin37°=0.6) 【及时演练】 一、单项选择题 在赤道上空,水平放置一根通以由西向东的电流的直导线,则此导线( ) A.受到竖直向上的安培力 B.受到竖直向下的安培力 C.受到由南向北的安培力 D.受到由西向东的安培力 图3-4-20 如图3-4-20所示,均匀绕制的螺线管水平放置,在其正中心的上方附近用绝缘绳水平吊起通电直导线A,A与螺线管垂直,A导线中的电流方向垂直纸面向里,开关S闭合,A受到通电螺线管磁场的作用力的方向是( ) A.水平向左 B.水平向右 C.竖直向下D.竖直向上 图3-4-21 如图3-4-21所示,导线框中电流为I,导线框垂直于磁场放置,磁感应强度为B,AB与CD相距为d,则MN所受安培力大小为( ) A.F=BId B.F=BIdsinθ C.F=BId/sinθ D.F=BIdcosθ 图3-4-22 在等边三角形的三个顶点a、b、c处,各有一条长直导线垂直穿过纸面,导线中通有大小相等的恒定电流,方向如图3-4-22所示.过c点的导线所受安培力的方向( ) A.与ab边平行,竖直向上 B.与ab边平行,竖直向下 C.与ab边垂直,指向左边 D.与ab边垂直,指向右边 二、双项选择题 图3-4-23 通电矩形线框abcd与长直通电导线MN在同一平面内,如图3-4-23所示,ab边与MN平行.关于MN的磁场对线框的作用力,下列说法正确的是( ) A.线框有两条边所受的安培力方向相同 B.线框有两条边所受的安培力大小相等 C.线框所受的安培力的合力方向向左 D.线框所受的安培力的合力方向向右 图3-4-24 如图所示,将通电线圈悬挂在磁铁N极附近,磁铁处于水平位置和线圈在同一平面内,且磁铁的轴线经过线圈圆心,线圈将( ) A.转动 B.不转动 C.靠近磁铁D.离开磁铁 图3-4-25 如图3-4-25所示,放在台秤上的条形磁铁两极未知,为了探明磁铁的极性,在它中央的正上方固定一导线,导线与磁铁垂直,给导线通以垂直纸面向外的电流,则( ) A.如果台秤的示数增大,说明磁铁左端是N极 B.如果台秤的示数增大,说明磁铁右端是N极 C.无论如何台秤的示数都不可能变化 D.台秤的示数随电流的增大而增大 图3-4-26 质量为m的通电细杆ab置于倾角为θ的平行导轨上,导轨宽度为d,杆ab与导轨间的动摩擦因数为μ.有电流时ab恰好在导轨上静止(如图3-4-26所示),下列是在沿ba方向观察时的四个平面图,标出了四种不同的匀强磁场方向,其中杆与导轨间摩擦力可能为零的是( ) 图3-4-27 图3-4-28 如图3-4-28所示,abcd为闭合四边形线框,a、b、c三点的坐标分别为(0,L,0),(L,L,0),(L,0,0),整个空间中有沿y轴正方向的匀强磁场,线框中通有方向如图所示的电流I.关于线框各条边所受安培力的大小,下列叙述中正确的是( ) A.ab边与bc边受到的安培力大小相等 B.cd边受到的安培力最大 C.cd边与ad边受到的安培力大小相等 D.bc边不受安培力作用 三、非选择题 图3-4-29 如图3-4-29所示,在磁感应强度B=1T的匀强磁场中,用两根细线悬挂长L=10cm、质量m=5g的金属杆.在金属杆中通以稳恒电流,使悬线受的拉力为零. (1)求金属杆中电流的大小和方向; (2)若每根悬线所受的拉力为0.1N,求金属杆中的电流的大小和方向(g=10m/s2). 图3-4-30 如图3-4-30所示,在倾角为37°的光滑斜面上有一根长为0.4m.质量为6×10-2kg的通电直导线,电流I=1A,方向垂直纸面向外,导线用平行于斜面的轻绳拴住不动,整个装置放在磁感应强度每秒增加0.4T,方向竖直向上的磁场中,设t=0,B=0,则需要多长时间斜面对导线的支持力为零? (g取10m/s2) 图3-4-31 如图3-4-31所示,PQ和MN为水平、平行放置的金属导轨,相距1m,导体棒ab跨放在导轨上,导体棒的质量m=0.2kg,导体棒的中点用细绳经滑轮与物体相连,物体质量M=0.3kg,导体棒与导轨间的动摩擦因数μ=0.5.匀强磁场的磁感应强度B=2T,方向竖直向下,为了使物体匀速上升,应在导体棒中通入多大的电流? 方向如何? 第2课时运动电荷在磁场中受到的力 知识要点: ★洛伦兹力 (1)洛伦兹力的大小f=qvB,条件: v⊥B.当v∥B时,f=0. (2)洛伦兹力的特性: 洛伦兹力始终垂直于v的方向,所以洛伦兹力一定不做功. (3)洛伦兹力与安培力的关系: 洛伦兹力是安培力的微观实质,安培力是洛伦兹力的宏观表现.所以洛伦兹力的方向与安培力的方向一样也由左手定则判定. (4)在磁场中静止的电荷不受洛伦兹力作用. 考点剖析: 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 若已知上图中: B=4.0×10-2T,导线长L=10cm,I=1A。 求: 导线所受的安培力大小? 解: F=BIL=4×10-2T×1A×0.1m=4×10-3N 答: 导线受的安培力大小为4×10-3N。 2.什么是电流? 电荷的定向移动形成电流。 磁场对电流有力的作用,电流是由电荷的定向移动形成的,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。 电子射线管的原理: 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,还应明确磁场的方向。 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。 结论: 磁场对运动电荷有作用力 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。 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? 如图 (2)洛伦兹力的方向 ①判定安培力方向。 (上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。 (电流方向与正电荷运动方向相同,与负电荷运动方向相反) ③F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。 ) ④电荷运动方向、磁场方向、洛伦兹力方向的关系。 ⑤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。 ②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。 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。 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 F总垂直于B与v所在的平面。 B与v可以垂直,可以不垂直。 (3)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,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。 I的微观表达式为I=nqSv 导体所受的安培力为F安=BIL 这段导体中含有的电荷数为nLS。 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F=F安/nLS=BIL/nLS=nqvSLB/nLS=qvB。 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θ,则电荷所受的洛伦兹力大小为: F=qvBsinθ (4)洛伦兹力的计算公式 ①当粒子运动方向与磁感应强度垂直时(v⊥B) F=qvB ②当粒子运动方向与磁感应强度方向成θ时 F=qvBsinθ 上两式各量的单位: F为牛(N),q为库伦(C),v为米/秒(m/s),B为特斯拉(T) 1.电子的速率v=3×106m/s,垂直射入B=0.10T的匀强磁场中,它受到的洛伦兹力是多大? 2.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 2.电视机显像管的工作原理 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? 解析: 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。 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( ) A.F、B、v三者必定均保持垂直 B.F必定垂直于B、v,但B不一定垂直于v C.B必定垂直于F、v,但F不一定垂直于v D.v必定垂直于F、B,但F不一定垂直于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( ) 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 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 【课堂追踪】 带电粒子垂直匀强磁场方向运动时,会受到洛伦兹力的作用.下列表述正确的是( ) A.洛伦兹力对带电粒子做功 B.洛伦兹力不改变带电粒子的动能 C.洛伦兹力的大小与速度无关 D.洛伦兹力不改变带电粒子的速度方向 在赤道平面上无风的时候,雨滴是竖直下落的.若雨滴带负电,则它的下落方向将偏向( ) A.东方 B.西方 C.南方D.北方 图3-5-9 阴极射线管中粒子流向由左向右,其上方放置一根通有如图3-5-9所示电流的直导线,导线与阴极射线管平行,则阴极射线将( ) A.向上偏转B.向下偏转 C.向纸里偏转D.向纸外偏转 在图3-5-10所示的匀强电场和匀强磁场共存的区域内,电子可能沿水平方向向右做直线运动的是( ) 图3-5-10 如图3-5-11所示,运动电荷电荷量为q=2×10-8C,电性已在图中标明,运动速度v=4×105m/s,匀强磁场磁感应强度为B=0.5T,分别求出三个电荷受到的洛伦兹力的大小. 图3-5-11 【及时演练】 一、单项选择题 关于带电粒子所受洛伦兹力F、磁感应强度B和粒子速度v三者方向之间的关系,下列说法正确的是( ) A.F、B、v三者必定相互垂直 B.F必定垂直于B、v,但B不一定垂直于v C.B必定垂直于F,但F不一定垂直于v D.v必定垂直于F、B,但F不一定垂直于B 图3-5-12 如图3-5-12所示,一带电粒子沿x轴正方向进入一个垂直纸面向里的匀强磁场中,若要使该粒子所受的合外力为零(重力不计),所加匀强电场的方向为( ) A.沿+y方向 B.沿-y方向 C.沿-x方向 D.因不知粒子的正负、无法确定 图3-5-13 如图3-5-13所示,某空间匀强电场竖直向下,匀强磁场垂直纸面向里,一金属棒AB从高h处自由下落,则( ) A.A端先着地 B.B端先着地 C.两端同时着地 D.以上说法均不正确 图3-5-14 从地面上方A点处自由落下一带电荷量为+q、质量为m的粒子,地面附近有如图3-5-14所示的匀强电场和匀强磁场,电场方向水平向右,磁场方向垂直纸面向里,这时粒子的落地速度大小为v1,若电场不变,只将磁场的方向改为垂直纸面向外,粒子落地的速度大小为v2,则( ) A.v1>v2 B.v1<v2 C.v1=v2D.无法判定 二、双项选择题 下列各图中,运动电荷的速度方向、磁感应强度方向和电荷的受力方向之间的关系正确的是( ) 图3-5-15 图3-5-16 如图3-5-16所示,质量为m的带电小物块在绝缘粗糙的水平面上以初速度v0开始运动.已知在水平面上方的空间内存在方向垂直纸面向里的水平匀强磁场,则以下关于小物块的受力及运动的分析中,正确的是( ) A.若物块带正电,可能受两个力,做匀速直线运动 B.若物块带负电,可能受两个力,做匀速直线运动 C.若物块带正电,一定受四个力,做减速直线运动 D.若物块带负电,一定受四个力,做减速直线运动 图3-5-17 如图3-5-17所示,一个带负电的滑环套在水平且足够长的粗糙绝缘杆上,整个装置处于方向如图所示的匀强磁场B中.现给滑环一个水平向右的瞬时速度,则滑环在杆上的运动情况可能是( ) A.始终做匀速运动 B.先做减速运动,最后静止在杆上 C.先做加速运动,最后做匀速运动 D.以上都有可能 图3-5-18 如图3-5-18所示,用丝线吊一个质量为m的带电(绝缘)小球处于匀强磁场中,空气阻力不计,当小球分别从A点和B点向最低点O运动且两次经过O点时( ) A.小球的动能相同 B.丝线所受的拉力相同 C.小球所受的洛伦兹力相同 D.小球的向心加速度相同 如图3-5-19所示,两个半径相同的半圆形轨道分别竖直放在匀强磁场和匀强电场中,轨道两端在同一高度上,轨道是光滑的.两个相同的带正电小球同时从两轨道左端最高点由静止释放,M、N为轨道的最低点,则( ) 图3-5-19 A.两小球到达轨道最低点的速度vM=vN B.两小球到达轨道最低点的速度vM>vN C.小球第一次到达M点的时间大于小球第一次到达N点的时间 D.在磁场中小球能到达轨道的另一端,在电场中小球不能到达轨道的另一端 三、非选择题 一初速度为零的质子,经过电压为1880V的电场加速后,垂直进入磁感应强度为5.0×10-4T的匀强磁场中,质子受到的洛伦兹力多大? (质子质量m=1.67×10-27kg) 图3-5-20 有一质量为m,电荷量为q的带正电的小球停在绝缘平面上,并处在磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中,如图3-5-20所示.为了使小球飘离平面,匀强磁场在纸面内移动的最小速度应为多少? 方向如何? 图3-5-21 一个质量为m=0.1g的小滑块,带有q=5×10-4C的电荷量,放置在倾角α=30°的光滑斜面上(绝缘),斜面置于B=0.5T的匀强磁场中,磁场方向垂直纸面向里,如图3-5-21所示,小滑块由静止开始沿斜面下滑,其斜面足够长,小滑块滑至某一位置时要离开斜面.求: (取g=10m/s2) (1)小滑块带何种电荷? (2)小滑块离开斜面时的瞬时速度多大? (3)该斜面的长度至少多长?
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第十讲 磁场对电流和运动电荷力的作用 学生 第十 磁场 电流 运动 电荷 作用