2.4 磁场对运动电荷的作用
[学习目标定位] 1.知道用电子射线管研究磁场对运动电荷的作用.2.会用左手定则判断洛伦兹力的方向.3.了解电子束的磁偏转，理解其原理.4.知道电视机显像管是利用了电子束磁偏转的原理，了解其工作过程．
一、洛伦兹力
1．定义：磁场对运动电荷的作用力叫洛伦兹力．
2．洛伦兹力与安培力的关系
通电导线受到的安培力，是导线中定向运动的电荷受到的洛伦兹力的宏观表现．
二、洛伦兹力的方向
洛伦兹力的方向遵循左手定则．即伸开左手，使拇指与其余四指垂直，并且都跟手掌在同一个平面内，让磁感线从手心进入，并使四指指向正电荷运动的方向，这时拇指所指的方向就是运动的正电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向；负电荷的受力方向与正电荷的受力方向相反．
三、显像管的工作原理
1．电视机显像管应用了电子束磁偏转的原理．
2．显像管中有一个阴极，工作时它能发射电子，荧光屏被电子束撞击就能发光.
一、洛伦兹力
[问题设计]
1．观察电子射线管，了解其结构．不加磁场，观察电子束的径迹，可以得出什么结论？把电子射线管放在蹄形磁铁的两极之间，观察电子束的径迹，又可得出什么结论？调换磁铁南北极的位置，观察电子束的径迹，又可得出什么结论？
答案 不加磁场，电子束为直线；放在蹄形磁铁的两极之间时，电子束发生了偏转．调换磁铁南北极，电子束的偏转方向改变．
2．保持电子射线管不动，在缓慢转动磁铁从而改变磁场的方向，再次观察电子束的径迹，又可得出什么结论？
答案 电子束的偏转方向改变．
[要点提炼]
1．洛伦兹力
(1)实质
通电导线在磁场中所受安培力是洛伦兹力的宏观表现．洛伦兹力是通电导线在磁场中所受安培力的微观本质．
(2)方向
安培力的方向根据左手定则判断，而安培力是大量定向移动的电荷所受洛伦兹力作用的宏观表现，因此洛伦兹力的方向也可用左手定则来判断．
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说明 由于电荷有正、负之分，故四指应指向正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向——相当于指向电流的方向．
2．洛伦兹力的特点
(1)洛伦兹力与电荷运动状态有关，当v＝0时，F洛＝0.
(2)由于F洛始终与v垂直，所以洛伦兹力永不做功，这一点与安培力不同，安培力可以对通电导线做功．
二、电子束的磁偏转和显像管的工作原理
[问题设计]
探究洛伦兹力演示仪的结构，请思考：
1．它是通过改变什么达到改变电子速度和磁感应强度大小的？
答案 通过改变电子枪两极间的电压改变电子的速度，通过改变线圈中电流的强弱改变磁感应强度的大小．
2．没有磁场时电子束沿直线运动；外加磁场后电子束沿圆周运动，圆周运动的半径与什么有关？
答案 磁场的强弱和电子的速度都能影响圆周运动的半径．
[要点提炼]
1．磁偏转
由于受洛伦兹力的作用，电子束能在磁场中发生偏转，叫做磁偏转．
电子束磁偏转是电视机显像管工作的基本原理之一．
2．显像管工作原理
(1)显像管工作原理如图1所示．
图1
(2)加速：显像管中有一个阴极，用低压电源加热时放出电子，经高电压加速后电子束打在荧光屏上，荧光屏就能发光．但一细束电子打在荧光屏上只能使一个点发光，而实际上整个荧光屏都发光，这是由于磁场作用于电子束的结果．
(3)偏转：①使电子束偏转的磁场是由两对线圈产生的，叫做偏转线圈．
②在偏转区的水平方向和竖直方向都加有偏转磁场，其方向、强弱都在不断变化，因此电子束打在荧光屏上的光点就不断来回移动(扫描)．电子束从最上一行到最下一行扫描一遍叫做一场，电视机中每秒要进行50场扫描，所以我们感到整个荧光屏都在发光．
一、洛伦兹力的方向
例1 如图所示，磁场方向、正电荷的运动方向、电荷所受洛伦兹力的方向两两垂直，则下列选项正确的是( )
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解析 由左手定则可判定，A中力F洛应向下；B中力F洛应向右；C中力F洛应向右．
答案 D
针对训练 如图2所示，在电子射线管正上方平行放置一根通有足够强直流电流的长直导线，且导线中电流方向水平向右，则电子束将会( )
图2
A．向上偏转 B．向下偏转
C．向纸里偏转 D．向纸外偏转
答案 B
解析 由安培定则可知直导线下面的磁场方向垂直纸面向里，由左手定则并考虑负电荷运动的方向，相当于正电荷运动的相反方向，所以电子束受到向下的力而向下偏转，故B正确．
二、带电粒子在磁场中的运动
例2 如图3所示，a、b是位于真空中的平行金属板，a板带正电，b板带负电，板间场强为E.两板间的空间中加匀强磁场，方向垂直纸面向里，磁感应强度为B，一束电子以大小为v0的速度沿图中虚线方向射入，虚线平行于a、b板，要想电子沿虚线运动，则v0、E、B之间的关系应满足( )
图3
A．v0＝E/B B．v0＝B/E
C．v0＝E/Be D．v0＝Be/E
解析 要想使电子沿虚线运动，要求电子受到的电场力等于安培力，即Ee＝Bev0，v0＝E/B.
答案 A
针对训练 如图4所示，没有磁场时电子束打在荧光屏正中的O点．为使电子束偏转，由安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场．
图4
(1)如果要使电子束在水平方向偏离中心，打在荧光屏上的A点，偏转磁场应该沿什么方向？
(2)如果要使电子束打在B点，磁场应该沿什么方向？
答案 见解析
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解析 由左手定则，(1)中偏转磁场应该垂直于纸面向外；(2)中偏转磁场应该垂直于纸面向里．
1．(对洛伦兹力的理解)关于安培力、电场力和洛伦兹力，下列说法正确的是( )
A．电荷在电场中一定受电场力作用，电荷在磁场中一定受洛伦兹力作用
B．电荷所受电场力一定与该处电场方向一致，电荷所受的洛伦兹力不一定与磁场方向垂直
C．安培力和洛伦兹力的方向均可用左手定则判断
D．安培力和洛伦兹力本质上都是磁场对运动电荷的作用，安培力可以对通电导线做功，洛伦兹力对运动电荷也做功
答案 C
2．(洛伦兹力的大小)带电荷量为＋q的粒子在匀强磁场中运动，下列说法中正确的是( )
A．只要速度大小相同，所受洛伦兹力就相同
B．如果把＋q改为－q，速度反向，则洛伦兹力的大小不变
C．只要带电粒子在磁场中运动，它一定受到洛伦兹力作用
D．带电粒子受到洛伦兹力越小，则该磁场的磁感应强度越小
答案 B
解析 影响洛伦兹力大小的因素有电荷量、速度大小、磁感应强度的大小及速度与磁感应强度的方向关系，A错；B中由左手定则可知，洛伦兹力方向不变，B正确；当磁场方向与电荷运动方向平行时，F洛＝0，C错；磁感应强度由磁场本身的性质决定，与洛伦兹力的大小无关，D错．
3．(带电粒子在磁场中的运动)如图5所示是一只电子射线管，左侧不断有电子射出．若在管的正下方放一通电直导线AB，发现电子的径迹往下偏，则( )
图5
A．导线中的电流由A流向B
B．导线中的电流由B流向A
C．若要使电子的径迹往上偏，可以通过改变AB中电流的方向来实现
D．电子的径迹与AB中的电流方向无关
答案 BC
解析 因为AB中通有电流，所以电子射线管中会有磁场．电子是因为在磁场中受到洛伦兹力的作用而发生偏转的．由左手定则可知，电子射线管中的磁场方向垂直于纸面向里，又根据安培定则可知，AB中的电流方向应是由B流向A，A错误，B正确；当AB中的电流方向由A流向B，则AB上方的磁场方向变为垂直于纸面向外，电子所受洛伦兹力变为向上，电子束的径迹会变为向上偏转，由以上可见电子的运动径迹与AB中的电流方向有关，C正确，D错误．
4．(洛伦兹力方向的判断)试判断如图6所示的带电粒子刚进入磁场时所受洛伦兹力的方向．
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图6
答案 ①垂直纸面向里 ②垂直纸面向外 ③竖直向上 ④与v垂直斜向右下方
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