Разработка урока

Ф(11) Дата:

Урок 5. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца

Задачи урока: выделить и изучить новое физическое явление — действие магнитного поля на движущуюся заряженную частицу; сформировать умение решать задачи на использование формулы для силы Лоренца.

Ход урока

1. Актуализация знаний. Вначале урока необходима актуализация знаний о силе Ампера. Один из школьников решает типичную задачу на доске.

2. Фронтальный опрос.

1. Какое физическое явление описывают силой Ампера?

2. От чего зависит действие магнитного поля на ток?

3. Что такое элемент тока?

4. Как формулируется закон Ампера? Можно ли утверждать, что сила прямо пропорциональна вектору магнитной индукции?

5. В каких случаях приведённая формула несправедлива?

(О т в е т. Магнитное поле неоднородно, проводник длинный и непрямолинейный, ток непостоянный.)

1. Мотивация учебной деятельности. Сообщение темы, цели, здачи урока.

Изучение нового материала: явление действия магнитного поля на заряженную частицу, закон этого действия. Применение знаний

Учитель ставит учебную проблему: определить силу, действующую со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу. (В учебнике именно так, а не просто на заряд, который может рассматриваться как модель.) Идея получения формулы для силы Лоренца такова: нам известен закон Ампера, но электрический ток — это движущиеся заряженные частицы, отсюда сила Лоренца — это сила Ампера, действующая на ток, образованный движением одной заряженной частицы.

Магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу через силу Лоренца — силу, которая возникает при движении заряда в магнитном поле. Название сила получила в честь голландского физика Хендрика Антона Лоренца — основателя электронной теории строения вещества. 

Особенности действия:

• Сила Лоренца направлена перпендикулярно скорости движения частицы и вектору магнитной индукции. 

• Это заставляет частицу двигаться по изогнутой траектории, часто круговой или спиральной формы, в зависимости от направлений полей. 

• Магнитное поле не действует на заряженную частицу в двух случаях: если частица неподвижна или если,частица движется вдоль силовой линии магнитного поля (в этом случае векторы параллельны, и сила Лоренца равна нулю.

• Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки:

• Если четыре вытянутых пальца левой руки направлены вдоль вектора скорости заряженной частицы, а вектор магнитной индукции направлен в ладонь, то отведённый на 90⁰ большой палец покажет направление силы Лоренца. Если частица имеет заряд отрицательного знака, то направление силы Лоренца противоположно тому направлению, которое имела бы положительная частица.

Сила Лоренца

Формула силы Лоренца: F = q vB sin α, где:

• q — заряд частицы; в случае электрона е = 1,9

• v — скорость частицы;

• B — вектор магнитной индукции;

• α — угол между направлением движения заряда и магнитной индукцией.

Важно: сила Лоренца перпендикулярна плоскости, образованной векторами движения заряда и магнитной индукции. Если эти вектора лежат на одной прямой, то плоскости они не образуют — величина силы Лоренца равна нулю, и её направление определить невозможно

З а д а н и е: с помощью учебника получить формулу для силы Лоренца. 2. Коллективно выполняют анализ полученной формулы с помощью ответов на вопросы: как направлена сила Лоренца (рис. 1.29 учебника)? Меняет ли она скорость заряженной частицы (рис. 1.30 учебника)? При каком движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца максимальна? 3. Учитель демонстрирует действие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы: к электронно-лучевой трубке (или к экрану осциллографа при выключенной развёртке) подносят магнит, наблюдают отклонение луча (возможно использование специальной установки — ФЭ-1, с. 173).

Вопросы для организации беседы:

1. что представляет собой электронный луч?

2. Каково направление движения положительного заряда?

3. Как расположено внешнее магнитное поле?

4. Предположите, как будет отклоняться на экране след электронного луча.

О применении закона и выражения для силы Лоренца лучше рассказать учителю. При этом используют рисунки циклотрона и масс-спектрографа (рис. 1.31 и 1.32 учебника). Правило

Записать в конспект направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки: 

• Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно, а вытянутые пальцы указывали направление скорости положительного заряда (или противоположное скорости отрицательного заряда), то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.

• Для отрицательного заряда сила Лоренца будет направлена в противоположную сторону. III. Отработка изученного материала продолжается при решении задач.

Типичную з а д а ч у подробно в процессе беседы решают на доске и в тетрадях.

Электрон движется в вакууме в однородном магнитном поле с индукцией 5 · 10–3 Тл. Скорость электрона равна 104 км/с и направлена перпендикулярно линиям магнитной индукции. Определите силу, действующую на электрон, и радиус окружности, по которой он движется.

Анализ физического явления. В задаче рассматриваются два физических объекта — электрон и однородное магнитное поле. Поле не меняется, электрон движется. Кроме магнитного поля на электрон действует ещё притяжение Земли, но этим действием мы пренебрегаем.

(Как это доказать?)

Далее выполняют рисунок 9 и с его помощью уточняют представление о характере движения электрона. Это равноускоренное движение по окружности.

Роль центростремительной силы играет сила Лоренца. При выполнении рисунка отмечают, что электрон моделируется материальной точкой. Идея решения заключается в использовании формулы для силы Лоренца и описании движения по окружности с помощью второго закона Ньютона. Работа

Сила Лоренца не совершает работы. Это следует из того, что сила Лоренца перпендикулярна скорости частицы, и изменяет только направление скорости, а не её модуль..

Следствие: сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и, следовательно, модуль её скорости. Заряженная частица в магнитном поле движется с постоянной по модулю скоростью, но при этом направление скорости непрерывно изменяется

Р е ш е н и е. Для угла 90° сила Лоренца вычисляется по формуле: = eBv = 1,6 · Кл · 5 · Тл · 1,0 · м/с = 8 · Н.

Для нашего движения — движения материальной точки по окружности — записываем основное уравнение динамики: Движение материальной точки по окружности описывается вторым законом Ньютона.

Уравнение имеет вид: m = F :

m = F = eBv.

В итоге получаем выражение для радиуса: R = = м.

Анализ решения. Изменится ли решение, если принять, что линии вектора магнитной индукции направлены к нам? Как будет двигаться электрон в этом случае? Точные или приближённые значения силы и радиуса получены при решении задачи?

(О т в е т. Приближённые.)

Получим формулы для радиуса окружности и периода вращения частицы, которая влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции, применяя формулы второго закона Ньютона и центростремительного ускорения.

; = eBv

Согласно 2-му закону Ньютона : m = F = eBv. Отсюда, R =

Время, за которое частица делает полный оборот (период обращения), равно:

Многим юным бывает досадно, что они не родились в старые времена, когда делались открытия. Им кажется, что теперь всё известно и никаких открытий на их долю не осталось. Одной из нераскрытых тайн является механизм земного магнитного поля. Как же и чем вызывается магнитное поле Земли? Подумайте и может быть…

Одна из возможных гипотез.Как известно, ядро Земли имеет высокую температуруи высокую плотность. Судя по исследованиям, в самом центре содержится твёрдое ядро. При вращении Земли вокруг своей оси центр тяжести не совпадает с геометрическим центром из-за притяжения Солнца. В результате сместившееся из центра ядро вращаясь относительно оболочки Земли вызывает такое же движение жидкой расплавленной массы мантии, как чайная ложка, перемешивающая воду в стакане. Получается не что иное, как направленное движение зарядов. Есть электрический ток, а он, в свою очередь, создаёт магнитное поле.

Подведение итогов.

Домашнее задание :§ 4; упр. на с. 23 (ЕГЭ); индивидуально — П., № 600.