Действие магнитного поля на движущийся электрический заряд

 

Куция Мариам Нугзаровна, учитель физики ГБОУ СОШ № 192 г. Москвы (структурное подразделение № 1266)

Урок изучения нового материала в 11-м классе.

Используются видеоопыты «Влияние магнитного поля на движущиеся заряды»,

«Влияние магнитного поля на электронный пучок» из альбома «Магнитное поле».

Видеосюжеты применяются во время объяснения нового материала и в ходе решения задач.

Задачи урока:

- установить силы, влияющие на подвижное заряженное тело в магнитном поле;

- показать практическую значимость силы Лоренца;

- отработать практические навыки при решении задач.

Элементы содержания:

- действие магнитного поля на движущийся электрический заряд;

- сила Лоренца;

- правило левой руки для определения направления силы Лоренца;

- движение заряженной частицы в однородном магнитном поле;

- применение силы Лоренца.

Требования к уровню подготовки обучающихся:

- понимать смысл силы Лоренца как физической величины;

- применять правило левой руки для определения направления действия силы Лоренца (линий магнитного поля, направления скорости движущегося электрического заряда).

Оборудование: интерактивная доска, презентация, персональный компьютер.

 

Ход урока:

1. Организационный момент.

2. Актуализация знаний.

Чему равен модуль силы Ампера?

Сформулируйте правило, позволяющее определить направление силы Ампера.

Приведите примеры использования силы Ампера.

 

3. Изучение нового материала.

Сила Лоренца

Сила Ампера, действующая на отрезок проводника длиной Δl с силой тока I, находящийся в магнитном поле B, 

F = IBΔlsin α

может быть выражена через силы, действующие на отдельные носители заряда.

Пусть концентрация носителей свободного заряда в проводнике есть n, а q – заряд носителя. Тогда произведение n q υ S, где υ – модуль скорости упорядоченного движения носителей по проводнику, а S – площадь поперечного сечения проводника, равно току, текущему по проводнику: 

I = q n υ S

Выражение для силы Ампера можно записать в виде: 

F = q n S Δl υB sin α

Так как полное число N носителей свободного заряда в проводнике длиной Δl и сечением S равно n S Δl, то сила, действующая на одну заряженную частицу, равна 

FЛ = q υ B sin α

 

Эту силу называют силой Лоренца. Угол α в этом выражении равен углу между скоростью υ и вектором магнитной индукции B. Направление силы Лоренца, действующей на положительно заряженную частицу, так же, как и направление силы Ампера, может быть найдено по правилу левой руки.

Если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции В, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца.

 

Показываем видеоопыт № 10 «Влияние магнитного поля на движущиеся заряды», 

обращая внимание на направление силы Лоренца.

При движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не совершает. Поэтому модуль вектора скорости при движении частицы не изменяется.

Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а вектор ее скорости υ лежит в плоскости, перпендикулярной вектору B то частица будет двигаться по окружности радиуса:

                                                                                                R=mv/qB

Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы (рис. 1).

Рисунок 1.

Круговое движение заряженной частицы в однородном магнитном поле

Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен 

gallery/ф 008-3
gallery/ф 008-1

Это выражение показывает, что для заряженных частиц заданной массы m период обращения не зависит от скорости υ и радиуса траектории R.

Показываем видеоопыт № 11 «Влияние магнитного поля на электронный пучок».

Угловая скорость движения заряженной частицы по круговой траектории называется циклотронной частотой.

gallery/ф 008-4

Циклотронная частота не зависит от скорости (следовательно, и от кинетической энергии) частицы. Это обстоятельство используется в циклотронах – ускорителях тяжелых частиц (протонов, ионов). Принципиальная схема циклотрона приведена на рис. 2.

gallery/ф 008-2

Рисунок 2.

Движение заряженных частиц в вакуумной камере циклотрона

 

4. Закрепление материала.

Какую силу называют силой Лоренца?

Напишите формулу для определения силы, с которой магнитное поле действует на движение в теле заряда.

Как движется заряженная частица в однородном магнитном поле в случае, когда направление скорости перпендикулярно магнитной индукции?

Почему сила Лоренца не меняет модуля скорости заряженной частицы?

По какой формуле определяется период обращения заряженной частицы по окружности в однородном магнитном поле?

 

5. Решение задач.

1. В однородном магнитном поле, индукция которого равна 2 Тл, движется электрон со скоростью 105 м/с перпендикулярно линиям магнитной индукции. Вычислите силу, действующую на электрон.

2. Электрон движется в вакууме в однородном магнитном поле с индукцией 510-3 Тл. Радиус окружности, по которой он движется, равен 1 см. Определите модуль скорости движения электрона, если она направлена перпендикулярно к линиям индукции.

3. Задача из КИМ ЕГЭ.

Еще раз показываем видеоопыт № 11 «Влияние магнитного поля на электронный пучок».

Электрон движется по окружности в однородном магнитном поле перпендикулярно силовым линиям поля. Индукция магнитного поля нарастает, и через некоторое время электрон движется по другой орбите. Как при этом будут меняться следующие физические величины: сила, воздействующая на электрон со стороны поля; скорость вращения его на круговой орбите; радиус этой орбиты?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1) увеличится;

2) уменьшится;

3) не изменится.

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Сила, действующая на электрон со стороны поля

Скорость на орбите

Радиус орбиты

...

6. Подведение итогов урока.

Домашнее задание:

§ 6; Р-№839,840; Сборник ЕГЭ. Ханнанов Н. К., Никифоров Г. Г., Орлов В. А. С. 118 (А9-С3)