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1.3磁场对通电导线的作用力
学习目标
学习目标
课程标准
物理素养
1.能用洛伦兹力分析带电粒子在匀强磁场中的圆周运动。
2.了解带电粒子在匀强磁场中的偏转及其应用。
3.知道洛伦兹力作用下带电粒子做匀速圆周运动的周期与速度无关,能够联想其可能的应用。
物理观念:知道带电粒子沿着与磁场垂直的方向射入匀强磁场会在磁场中做匀速圆周运动。
科学思维:能推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式和周期公式,能解释有关的现象,解决有关实际问题。
科学探究:经历实验验证带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动以及其运动半径与磁感应强度的大小和入射速度的大小有关的过程,体会物理理论必须经过实验检验。
科学态度与责任:能用洛伦兹力分析带电粒子在匀强磁场中的圆周运动。通过学习磁场对带电粒子运动的控制,体会物理知识与科学技术进步的关系。
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思维导图
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知识梳理
课前研读课本,梳理基础知识:
一、带电粒子在匀强磁场中的运动
1.若v//B,带电粒子以速度v做匀速直线运动,其所受洛伦兹力F=
2.若v⊥B,带电粒子初速度的方向和洛伦兹力的方向都在与磁场方向
(1)洛伦兹力总是与粒子的运动方向垂直,只改变粒子速度的方向,不改变粒子速度的大小。
(2)沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子,在匀强磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力对粒子起到了向心力的作用。
二、带电粒子在磁场中做圆周运动的半径和周期
1.洛伦兹力演示仪:电子枪可以发射电子束。玻璃泡内充有稀薄的气体,在电子束通过时能够显示电子的径迹。励磁线圈能够在两个线圈之间产生匀强磁场,磁场的方向与两个线圈中心的连线平行。
2.演示仪中电子轨迹特点
(1)不加磁场时,电子束的径迹是一条直线。
(2)加磁场后电子束的径迹是一个圆。
(3)磁感应强度或电子的速度改变时,圆的半径发生变化。
3.半径和周期
(1)由qvB=mv2r
(2)由r=mvqB和T=2πr
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题型精讲
【题型一】带电粒子在磁场中运动的基本问题
1.分析带电粒子在磁场中的匀速圆周运动,要紧抓洛伦兹力提供向心力这个条件,即qvB=meq\f(v2,r)。
2.同一粒子在同一磁场中,由r=eq\f(mv,qB)知,r与v成正比;但由T=eq\f(2πm,qB)知,T与速度无关,与半径大小无关。
【典型例题1】已知氚核的质量约为质子质量的3倍,带正电荷,电荷量为一个元电荷;粒子即氦原子核,质量约为质子质量的4倍,带正电荷,电荷量为e的2倍。现在质子、氚核和粒子由静止经过相同的加速电场加速后垂直进入同一匀强磁场中做匀速圆周运动,则它们运动的半径之比为()
A.1:1:2 B.1:3:4
C.1:1:1 D.
【答案】D
【解析】粒子在电场中加速过程,根据动能定理有
粒子在磁场中做圆周运动过程,由洛伦兹力提供向心力,则有
解得
根据题意可知,令质子质量为m,电荷量大小为e,则氚核质量为3m,电荷量大小为e,粒子质量为4m,电荷量大小为2e,则可解得质子、氚核和粒子由静止经过相同的加速电场加速后垂直进入同一匀强磁场中做匀速圆周运动,则它们运动的半径之比为。
故选D。
【典型例题2】电荷量为的正离子,自匀强磁场a点如图射出,当它运动到b点时,打中并吸收了原处于静止状态的一个电子(此过程类似完全非弹性碰撞),若忽略电子质量,则接下来离子的运动轨迹是()
A. B.
C. D.
【答案】D
【解析】离子吸收一个电子后,离子带电荷量由变为,由于碰撞的时间极短,故吸收电子后满足动量守恒定律,离子运动的动量保持不变,由洛伦兹力提供向心力
可得轨道半径为
因为离子吸收电子后,电荷量减小且新离子的动量与原来相同,故离子做圆周运动轨道半径增大,离子仍然带正电,故离子圆周运动方向没有发生变化。
故选D。
【对点训练1】质量分别为m1和m2、电荷量分别为q1和q2的两粒子在同一匀强磁场中做匀速圆周运动,已知两粒子的动量大小相等。下列说法正确的是()
A.若q1=q2,则它们做圆周运动的半径一定相等
B.若m1=m2,则它们做圆周运动的半径一定相等
C.若q1≠q2,则它们做圆周运动的周期一定不相等
D.若m1≠m2,则它们做圆周运动的周期一定不相等
【答案】A
【解析】AB.由洛伦兹力提供向心力可得
可得
由于两粒子的动量大小相等,若,则它们做圆周运动的半径一定相等;若,则它们做圆周运动的半径不一定相等,故A正确,B错误;
CD.根据
,
可得粒子在磁场中运动的周期为
若或,但,则它们做圆周运动的周期一定相等,故CD错误。
故选A。
【对点训练2】一个带电粒子,沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场,粒子的一段径迹如图所示,径迹上的每小段都可近似看成圆弧,由于带电粒子使沿途空气电离,粒子的能
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