学习磁场对运动电荷的作用力——洛伦兹力,应从洛伦兹力的方向如何确定及洛伦兹力和安培力、电场力的区别与联系这两个方面加以理解。
洛伦兹力的方向由左手定则判定。决定洛伦兹力方向的因素有三个:电荷的电性(正、负)、速度方向、磁感应强度的方向。当电荷一定时,即电性一定时,其他两个因素中,如果只让其中一个因素相反,则洛伦兹力方向必定相反;如果同时让两个因素相反,则洛伦兹力方向将不变。
例1、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. 相对于预定地点,稍向东偏转
C. 相对于预定地点,稍向西偏转
D. 相对于预定地点,稍向北偏转
答案:B。
解析:地球表面地磁场方向由南向北,质子带正电,根据左手定则可判定,质子自赤道上空竖直下落过程中受洛伦兹力方向向东。
点拨:解答本题首先要明确地磁场方向的分布情况,地磁场的北极在地理位置的南极附近,地磁场的南极在地理位置的北极附近。同时,在应用左手定则判定洛伦兹力方向时还要注意粒子的电性及运动方向。
洛伦兹力与安培力的区别与联系。洛伦兹力是磁场对运动电荷的作用力,安培力是磁场对通电导线的作用力,它们既相互联系,又有区别。对洛伦兹力和安培力的联系与区别,可从以下几个方面理解:
1、安培力大小为F=ILB,洛伦兹力大小为F=qvB。安培力和洛伦兹力表达式虽然不同,但可互相推导,相互印证。
2、洛伦兹力是微观形式,安培力是宏观表现。洛伦兹力是单个运动电荷在磁场中受到的力,而安培力是导体中所有定向移动的自由电荷受的洛伦兹力的宏观表现。
3、尽管安培力是导体中所有定向移动的自由电荷受的洛伦兹力的宏观表现,但也不能认为定培力就简单地等于所有定向移动电荷所受洛伦兹力的和,一般只有当导体静止时才能这样认为。
4、尽管洛伦兹力和安培力的方向都由左手定则判定,但它们又是有区别的。安培力方向判定的左手定则中,四指指向电流方向;而洛伦兹力方向判定的左手定则却是,四指指向正电荷的运动方向,负电荷受力与正电荷方向相反。
5、洛伦兹力对运动电荷恒不做功,安培力却可以做功。
洛伦兹力与安培力的比较列表如下:
|
公式 |
方向 |
影响力大小的因素 |
做功情况 |
洛伦兹力 |
|
与B、v垂直 |
q、v、B及v与B的夹角 |
总不做功 |
安培力 |
|
与B、I垂直 |
B、I、L及I与B的夹角 |
可以做功 |
例2、在相互垂直的匀强电场和匀强磁场中,有一倾角为、足够长的光滑绝缘斜面,磁感应强度为B,方向垂直纸面向外,电场方向竖直向上。有一质量为m、带电荷量为+q的小球静止在斜面顶端,这时小球对斜面的正压力恰好为零,如图所示。若迅速把电场方向反转为竖直向下,小球能在斜面上连续滑行多远?所用时间是多少?
答案:
解析:电场反转前小球静止,所以有mg=qE,电场反转后,小球先沿斜面向下做匀加速直线运动,到对斜面压力减为零时开始离开斜面,此时有
即
小球在斜面上滑行的最大速度为
当电场反转后,加速度,
由
由v=at 得
点拨:(1)电荷只要处在电场中就一定受到电场力,即电场力与电荷的运动状态无关。(2)只有运动的电荷才受洛伦兹力。由F=qvB可知,当洛伦兹力随运动状态的变化而变化,即洛伦兹力是变力时,力的作用效果较为复杂。解决此类问题时,要从受力分析入手,分析临界状态,从而得出正确结果。
对磁场对运动电荷的作用力,重点是洛伦兹力大小的计算和洛伦兹力方向的判定,难点是洛伦兹力参与下物体运动的分析。解决方法是对运动电荷进行受力分析和运动分析,注意隐含临界条件的寻求。
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