物理人教版选修3-1 35运动电荷在磁场中受到的力导学案（无答案）.doc

编号：gswhwlxx3-1------23
文化高中高二物理选修3-1
第三章 磁场
3.5运动电荷在磁场中受到的力
编制人 许华奇 姓名 班级 小组
学习目标　　　　　
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。　　
学习重点
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。
这一节承上(安培力)启下(带电粒子在磁场中的运动)，是本章的重点。
学习难点
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。
课前预习
回顾复习 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＝4.0×10－2 T，导线长L＝10 cm，I＝1 A。求：导线所受的安培力大小？

2．什么是电流？

一、新课了解
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。
观察磁场阴极射线在磁场中的偏转(95页图3.51)
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，还应明确磁场的方向。
实验现象结论：电子射线管发出的电子束，下图甲中的径迹是 ．把电子射线管放在蹄形磁铁的磁场中，如图所示，电子束的径迹向 发生了偏转，若调换磁铁南北极的位置，则电子束的径迹会向 偏转．

1．洛伦兹力的方向和大小
(1)洛伦兹力的定义：
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。
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——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 运动的方向，那么拇指所受的方向就是 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。
特别提醒：
1、洛伦兹力的方向总是垂直于B和v决定的平面．B与v可以垂直，可以不垂直。
2、因为洛伦兹力方向总是与速度方向垂直，所以洛伦兹力一个重要特点就是对带电粒子不做功，它只会改变速度的方向而不会改变速度的大小．
3、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)。
二、
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)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。
这段导线中电流I的微观表达式为I＝
这段导体所受的安培力为F安＝
这段导体中含有多少自由电荷数为
每个自由电荷所受的洛伦兹力大小为F＝
(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(v⊥B)　F＝
当粒子运动方向与磁感应强度方向成θ时　F＝
2．电视机显像管的工作原理
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？

三、节节过关
1．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？

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

3.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

4.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 (　　)

5.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
6.一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

7．布置作业：课本“问题与练习”3、4、5题。

磁流体发电机
磁流体发电机，又叫等离子发电机，是根据霍尔效应，用导电流体与磁场相对运动而发电的一种设备。

磁流体发电，是将带电的流体(离子气体或液体)以极高的速度喷射到磁场中去，利用磁场对带电的流体产生的作用，从而发出电来。
最简单的开式磁流体发电机由燃烧室、发电通道和磁体组成。工作过程是在化石燃料燃烧后产生的高温气体中，加入易电离的钾盐或钠盐，使起部分电离后，经喷管加速产生高达摄氏3 000度、速度达到1 000米/秒的高温高速导电气体，最后产生电流。
磁流体发电中的带电流体，它们是通过加热燃料、惰性气体、碱金属蒸气而得到的。在几千摄氏度的高温下，这些物质中的原子和电子的运动都很剧烈，有些电子甚至可以脱离原子核的束缚，结果，这些物质变成自由电子、失去电子的离子以及原子核的混合物，这就是等离子体。将等离子体以超音速的速度喷射到一个加有强磁场的管道里面，等离子体中带有正、负电荷的高速粒子，在磁场中受到洛伦兹力的作用，分别向两极偏移，于是在两极之间产生电压，用导线将电压接入电路中就可以使用了。
磁流体发电的另一个好处是产生的环境污染少。利用火力发电，燃烧燃料产生的废气里含有大量的二氧化硫，这是造成空气污染的一个重要原因。利用磁流体发电，不仅使燃料在高温下燃烧得更加充分，它使用的一些添加材料还可以和硫化合，生成硫酸钾，并被回收利用，这就避免了直接把硫排放到空气中，对环境造成污染。
利用磁流体发电，只要加快带电流体的喷射速度，增加磁场强度，就能提高发电机的功率。人们使用高能量的燃料，再配上快速启动装置，就可以使发电机功率达到1 000万kW，这就满足了一些需要大功率电力的场合。目前，中国、美国、印度、澳大利亚以及欧洲共同体等，都积极致力于这方面的研究。
磁流体发电机产生电动势，输出电功率的原理如上图。
1959年，美国阿夫柯公司建造了第一台磁流体发电机，功率为115 kW。此后各国均有研究制造，美苏联合研制的磁流体发电机U25B在1978年8月进行了第四次试验，气体－等离子体流量为2～4 kg/s，温度为2 950 K，磁场为5 T，输出功率1 300 kW，共运行了50小时。目前许多国家正在研制百万千瓦的利用超导磁体的磁流体发电机。
现在磁流体发电机制造中的主要问题是发电通道效率低，目前只有10%。通道和电极的材料都要求耐高温、耐腐蚀等，目前所用材料的寿命都比较短，因而磁流体发电机不能长时间运行。