高中物理:洛倫茲力重難點解析

2021-01-19 高中物理

學習磁場對運動電荷的作用力——洛倫茲力,應從洛倫茲力的方向如何確定及洛倫茲力和安培力、電場力的區別與聯繫這兩個方面加以理解。


洛倫茲力的方向由左手定則判定。決定洛倫茲力方向的因素有三個:電荷的電性(正、負)、速度方向、磁感應強度的方向。當電荷一定時,即電性一定時,其他兩個因素中,如果只讓其中一個因素相反,則洛倫茲力方向必定相反;如果同時讓兩個因素相反,則洛倫茲力方向將不變。


例1、來自宇宙的質子流,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. 相對於預定地點,稍向東偏轉

C. 相對於預定地點,稍向西偏轉

D. 相對於預定地點,稍向北偏轉

答案:B。

解析:地球表面地磁場方向由南向北,質子帶正電,根據左手定則可判定,質子自赤道上空豎直下落過程中受洛倫茲力方向向東。

點撥:解答本題首先要明確地磁場方向的分布情況,地磁場的北極在地理位置的南極附近,地磁場的南極在地理位置的北極附近。同時,在應用左手定則判定洛倫茲力方向時還要注意粒子的電性及運動方向。


洛倫茲力與安培力的區別與聯繫。洛倫茲力是磁場對運動電荷的作用力,安培力是磁場對通電導線的作用力,它們既相互聯繫,又有區別。對洛倫茲力和安培力的聯繫與區別,可從以下幾個方面理解:

1、安培力大小為F=ILB,洛倫茲力大小為F=qvB。安培力和洛倫茲力表達式雖然不同,但可互相推導,相互印證。

2、洛倫茲力是微觀形式,安培力是宏觀表現。洛倫茲力是單個運動電荷在磁場中受到的力,而安培力是導體中所有定向移動的自由電荷受的洛倫茲力的宏觀表現。

3、儘管安培力是導體中所有定向移動的自由電荷受的洛倫茲力的宏觀表現,但也不能認為定培力就簡單地等於所有定向移動電荷所受洛倫茲力的和,一般只有當導體靜止時才能這樣認為。

4、儘管洛倫茲力和安培力的方向都由左手定則判定,但它們又是有區別的。安培力方向判定的左手定則中,四指指向電流方向;而洛倫茲力方向判定的左手定則卻是,四指指向正電荷的運動方向,負電荷受力與正電荷方向相反。

5、洛倫茲力對運動電荷恆不做功,安培力卻可以做功。

洛倫茲力與安培力的比較列表如下:


公式

方向

影響力大小的因素

做功情況

洛倫茲力

與B、v垂直

q、v、B及v與B的夾角

總不做功

安培力

與B、I垂直

B、I、L及I與B的夾角

可以做功


例2、在相互垂直的勻強電場和勻強磁場中,有一傾角為、足夠長的光滑絕緣斜面,磁感應強度為B,方向垂直紙面向外,電場方向豎直向上。有一質量為m、帶電荷量為+q的小球靜止在斜面頂端,這時小球對斜面的正壓力恰好為零,如圖所示。若迅速把電場方向反轉為豎直向下,小球能在斜面上連續滑行多遠?所用時間是多少?

答案:

解析:電場反轉前小球靜止,所以有mg=qE,電場反轉後,小球先沿斜面向下做勻加速直線運動,到對斜面壓力減為零時開始離開斜面,此時有

小球在斜面上滑行的最大速度為

當電場反轉後,加速度

由v=at  得

點撥:(1)電荷只要處在電場中就一定受到電場力,即電場力與電荷的運動狀態無關。(2)只有運動的電荷才受洛倫茲力。由F=qvB可知,當洛倫茲力隨運動狀態的變化而變化,即洛倫茲力是變力時,力的作用效果較為複雜。解決此類問題時,要從受力分析入手,分析臨界狀態,從而得出正確結果。


對磁場對運動電荷的作用力,重點是洛倫茲力大小的計算和洛倫茲力方向的判定,難點是洛倫茲力參與下物體運動的分析。解決方法是對運動電荷進行受力分析和運動分析,注意隱含臨界條件的尋求。


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