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2019-2020年高中物理《磁場對運動電荷的作用力》教案4 新人教版選修3-1 教學目標： 1.知道什么是洛倫茲力. 2.利用左手定則會判斷洛倫茲力的方向. 3.知道洛倫茲力大小的推理過程. 4.掌握垂直進入磁場方向的帶電粒子受到洛倫茲力大小的計算. 5.了解v和B垂直時的洛倫茲力大小及方向判斷. 6.理解洛倫茲力對電荷不做功. 教學重點： 1.利用左手定則會判斷洛倫茲力的方向. 2.掌握垂直進入磁場方向的帶電粒子受到洛倫茲力大小的計算. 教學難點： 1.洛倫茲力對帶電粒子不做功. 2.洛倫茲力方向的判斷. 教學方法：講述法、分析推理法、講練法 教學用具：電子射線管、電源、磁鐵、投影儀、投影片 教學過程 一、引入新課 ［教師講述］前面我們學習了磁場對電流的作用力—安培力.磁場對電流有力的作用，電流是由電荷的定向移動形成的，我們會想到：這個力可能是作用在運動電荷上的，而安培力是作用在運動電荷上的力的宏觀表現(xiàn). ［演示實驗］觀察磁場是否對運動電荷有作用. ［教師］說明電子射線管的原理：從陰極發(fā)射出來電子，在陰陽兩極間的高壓作用下，使電子加速，形成電子束，轟擊到長條形的熒光屏上激發(fā)出熒光，可以顯示電子束的運動軌跡. ［實驗結(jié)果］在沒有外磁場時，電子束沿直線運動，將蹄形磁鐵靠近電子射線管，發(fā)現(xiàn)電子束運動軌跡發(fā)生了彎曲. ［學生分析得出結(jié)論］磁場對運動電荷有作用. 二、新課教學 [板書]第四節(jié) 磁場對運動電荷的作用 （一）洛倫茲力：運動電荷在磁場中受到的作用力. 通電導線在磁場中所受安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn). ［過渡語］運動電荷在磁場中受到洛倫茲力的作用，那么洛倫茲力的方向如何判斷呢？ ［問題］如圖 1.判定安培力方向. 2.電流方向和電荷運動方向的關(guān)系. 3.F安的方向和洛倫茲力方向關(guān)系. 4.電荷運動方向、磁場方向、洛倫茲力方向的關(guān)系. ［學生答］ 1.上圖甲中安培力方向為垂直電流方向向上，乙圖安培力方向為垂直電流方向向下. 2.電流方向和正電荷運動方向相同，和負電荷運動方向相反. 3.F安的方向和正電荷所受的洛倫茲力的方向相同，和負電荷所受的洛倫茲力的方向相反. 4.學生分析總結(jié). ［投影片出示板書］ （二）洛倫茲力方向的判斷——左手定則 伸開左手，使大拇指和其余四指垂直且處于同一平面內(nèi)，把手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，若四指指向正電荷運動的方向，那么拇指所受的方向就是正電荷所受洛倫茲力的方向；若四指指向是電荷運動的反方向，那么拇指所指的方向就是負電荷所受洛倫茲力的方向. [板書]洛倫茲力f的方向：f ⊥B、f ⊥v，即f垂直于v和B所決定的平面. ［投影片出示練習題］ 1.試判斷下圖中所示的帶電粒子剛進入磁場時所受的洛倫茲力的方向. （三）洛倫茲力的大小 現(xiàn)在我們來研究一下洛倫茲力的大小. 若有一段長度為L的通電導線，橫截面積為S，單位體積中含有的自由電荷數(shù)為n，每個自由電荷的電量為q，定向移動的平均速率為v，將這段導線垂直于磁場方向放入磁感應強度為B的勻強磁場中. ［問題］這段導體所受的安培力為多大？ ［學生答］F安=BIL ［問題］由第十五章第1節(jié)的思考和討論，電流強度I的微觀表達式是多少？ ［學生答］I的微觀表達式為I=nqSv ［問題］這段導體中含有多少自由電荷數(shù)？ ［學生答］這段導體中含有的電荷數(shù)為nLS. ［問題］每個自由電荷所受的洛倫茲力大小為多大？ ［學生答］安培力可以看作是作用在每個運動上的洛倫茲力F的合力，這段導體中含有的自由電荷數(shù)為nLS,所以 f=qvB 各量的單位：f為牛（N），q為庫倫（C），v為米/秒（m/s）,B為特斯拉（T） 適用條件：v⊥B ［問題］若此電子不垂直射入磁場，電子受到的洛倫茲力又如何呢？有興趣的同學課下探討，教師不做重點講解. 由通電導線不垂直于磁場對受到的安培力入手分析，F(xiàn)安=BILsinθ，可得f=qvBsinθ. θ為電荷運動速度方向與磁場方向的夾角 討論：θ=90時，f=qvB θ=0時，f=0,v和B在同一直線上，不受洛倫茲力. ［投影片出示練習題］ 1.電子的速率v=3106 m/s，垂直射入B=0.10 T的勻強磁場中，它受到的洛倫茲力是多大？ ［學生答］ f=qvB=1.6010-1931060.10=4.810-14 N 2.來自宇宙的質(zhì)子流，以與地球表面垂直的方向射向赤道上空的某一點，則這些質(zhì)子在進入地球周圍的空間時，將_______ A.豎直向下沿直線射向地面 B.相對于預定地面向東偏轉(zhuǎn) C.相對于預定點稍向西偏轉(zhuǎn) D.相對于預定點稍向北偏轉(zhuǎn) ［學生答］B.地球表面地磁場方向由南向北，質(zhì)子是氫原子核帶正電，根據(jù)左手定則可判定，質(zhì)子自赤道上空豎直下落過程中受洛倫茲力方向向東. ［問題］讓同學們討論一下帶電粒子在磁場中運動時，洛倫茲力對帶電粒子是否做功？說明理由. ［教師引導學生分析得］ 洛倫茲力的方向垂直于v和B組成的平面即洛倫茲力垂直于速度方向，因此，洛倫茲力只改變速度的方向，不改變速度的大小，所以洛倫茲力對電荷不做功. ［板書］洛倫茲力對電荷不做功. ［問題］閱讀課文，說明運動電荷在磁場中受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)有何現(xiàn)實意義？ ［學生答］運動電荷在磁場中受到洛倫茲力的作用，運動方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這一點對于地球上的生命來說有十分重要的意義.從太陽或其它星體上，時刻都有大量的高能粒子流放出，稱為宇宙射線，這些高能粒子流，如果都到達地球，將對地球上的生物帶來危害.慶幸的是，地球周圍存在地磁場，地磁場改變宇宙射線中帶電粒子的運動方向，對宇宙射線起了一定的阻擋作用. ［教師補充］ 宇宙射線是穿透力極強的輻射線，它們來自宇宙空間，從各個方向射向地球，20世紀初，我們想要獲得一個不受輻射影響的實驗環(huán)境，總是不能如愿，即使深入礦井內(nèi)部，仍然擺脫不開宇宙射線穿透性輻射的干擾，1912年，奧地利物理學家海斯乘氣球升空去探尋這些輻射的來源，他發(fā)現(xiàn)，在氣球上升過程中，輻射不是減弱而是增強了，后來又發(fā)現(xiàn)，兩極地區(qū)的輻射更為強大，說明它似乎受地球磁場的影響，表明它含有帶電粒子（如質(zhì)子），宇宙射線中的帶電粒子在穿越地磁場過程中，受到地磁場對它們的洛倫茲力的作用，運動方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，對宇宙射線有一定的阻擋作用，大大減弱了到達地球表面的宇宙射線. 三、課堂練習 1．一電荷q在勻強磁場中運動，下列說法正確的是（B） A.只要速度的大小相同，所受的洛倫茲力就相同 B.如果速度不變，把電荷q改為-q，洛倫茲力的方向?qū)⒎聪?，但大小不? C.洛倫茲力的方向一定與電荷速度方向垂直，磁場方向一定與電荷運動方向垂直 D.粒子在洛倫茲力作用下運動時，動能和動量均不變 2．一個長螺線管中通有交變電流，把一個帶電粒子沿管軸線射入管中（不計重力），粒子將在管中(D) A.做圓周運動 B.沿軸線來回運動 C.做勻加速直線運動 D.做勻速直線運動 3．如圖所示，銅質(zhì)導電板置于勻強磁場中，通電時銅板中電流方向向下，由于磁場的作用，則（C） A.板左側(cè)聚集較多電子，使b點電勢高于a點 B.板左側(cè)聚集較多電子，使a點電勢高于b點 C.板右側(cè)聚集較多電子，使a點電勢高于b點 D.板右側(cè)聚集較多電子，使b點電勢高于a點 四、小結(jié) 本節(jié)課我們主要學習了 1.洛倫茲力的定義即磁場對運動電荷的作用. 2.用左手定則判斷洛倫茲力的方向. 3.在安培力的基礎(chǔ)上推導洛倫茲力的計算公式. 4.洛倫茲力對運動電荷不做功. 五、板書設計 定義：磁場對運動電荷的作用力 （注：通電導線在磁場中所受安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)） 方向判斷——左手定則 大小計算 f=qvB 洛倫茲力對運動電荷不做功 洛倫茲力 六、作業(yè)：創(chuàng)新作業(yè) P117 1—11