选择性必修二 · 第1章 安培力与洛伦兹力

人教版高中物理 · 辽宁高考复习专用
本章研究磁场对电流和运动电荷的作用:安培力F=BIL、洛伦兹力f=qvB、左手定则, 以及带电粒子在匀强磁场中的圆周运动(r=mv/qB、T=2πm/qB)和质谱仪、回旋加速器。是辽宁高考计算题与选择题的核心章节。
辽宁新高考 · 物理(黑吉辽蒙卷)磁场力+粒子圆周运动

① 本章辽宁高考重点概览

考点辽宁常见考法热度标签
磁场、磁感应强度B、磁感线安培定则判磁场方向;地磁场★★★必考重点
安培力F=BIL左手定则;导线受力平衡/偏转★★★★必考重点
洛伦兹力f=qvB方向判断(负电荷反向);不做功★★★★★模型难点
带电粒子圆周运动r=mv/qB、T=2πm/qB;画轨迹找圆心★★★★★模型难点
质谱仪、回旋加速器测比荷/质量;最大动能、周期★★★★科技热点
速度选择器、霍尔效应qvB=qE平衡选速;霍尔电压定性★★★模型难点

② 章节学习目标

物理观念

  • 建立磁场对通电导线、运动电荷有力的作用的观念,认识磁现象的电本质

科学思维

  • 会用左手定则判断安培力、洛伦兹力方向
  • 掌握带电粒子在匀强磁场中圆周运动的半径、周期公式,会画轨迹、定圆心、求时间
  • 能分析质谱仪、回旋加速器、速度选择器的工作原理

科学态度与责任

  • 了解我国在加速器、磁约束核聚变("人造太阳"EAST)、粒子探测等领域成就

本章物理模型清单

  1. 安培力模型(通电导线在磁场中)
  2. 洛伦兹力模型 f⊥v⊥B
  3. 粒子圆周运动模型(画轨迹、定圆心、求半径与运动时间)
  4. 速度选择器模型 qE=qvB
  5. 回旋加速器模型(电场加速、磁场回旋)

③ 情景回顾

情景一·电动机转动

通电线圈在磁场中受力转动,风扇、电动车靠它驱动。磁场对通电导线的力遵循什么规律?
→ 安培力

情景二·极光弯曲

太阳风带电粒子闯入地磁场后螺旋偏转、汇聚两极形成极光。磁场为什么能让带电粒子转弯?
→ 洛伦兹力

情景三·质谱仪

同样速度进入磁场的不同离子沿不同圆弧打到探测器不同位置,据此测质量、辨同位素。
→ r=mv/qB

情景四·回旋加速器

小小两个D形盒用交变电场反复加速粒子,却能获得接近光速的高能粒子。
→ T=2πm/qB

④ 核心知识点讲解

1.1 磁场与磁感应强度(复习提升)

  • 磁场:磁体、电流(运动电荷)周围存在的特殊物质,对放入其中的磁体、电流、运动电荷有力的作用。
  • 磁感应强度B:描述磁场强弱和方向的物理量(矢量),单位特斯拉(T)。方向规定为小磁针静止时N极所指方向。磁感线切线方向即B方向,磁感线疏密表示B强弱;磁感线是闭合曲线(外部N→S、内部S→N)。
  • 安培定则(右手螺旋定则):判直线电流磁场——右手握住导线、大拇指指向电流方向,四指环绕方向即磁感线方向;判环形电流/螺线管——四指沿电流方向,大拇指指向环内/管内磁场方向(螺线管N极)。
  • 匀强磁场:B的大小方向处处相同,磁感线为等间距平行直线(如螺线管内部、两异名磁极间)。

1.2 安培力

  • 安培力:通电导线在磁场中受到的力(本质是导线中定向运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现)。
F = B I L (B⊥I,匀强磁场)
适用条件:匀强磁场、直导线,且电流方向与磁场垂直。若B与I夹角为θ,则F=BILsinθ;电流与磁场平行时F=0。L为导线在磁场中的有效长度。
  • 左手定则:伸开左手,让磁感线从掌心穿入,四指指向电流方向,大拇指所指方向就是安培力方向。F既垂直于I又垂直于B(F⊥I与B所决定的平面)。
  • 推论:两平行直导线,同向电流相互吸引、反向电流相互排斥。
【注意】
安培力公式F=BIL中B、I、F两两垂直;当导线与磁场成θ角时用有效垂直分量B⊥=Bsinθ。弯曲导线的L取两端点连线的有效长度(匀强磁场中)。

1.3 洛伦兹力(核心)

  • 洛伦兹力:运动电荷在磁场中受到的力。
f = q v B (v⊥B)
适用条件:v与B垂直时f=qvB;v与B平行时f=0;v与B成θ角时f=qvBsinθ(取垂直于B的速度分量v⊥=vsinθ)。
  • 方向——左手定则:磁感线穿掌心,四指指向正电荷运动方向,大拇指为洛伦兹力方向;负电荷受力方向与四指方向(其运动方向)相反(即四指指向负电荷运动的反方向)。
  • f⊥v且f⊥B。
【重要结论】洛伦兹力不做功

洛伦兹力始终与速度方向垂直,由功率P=f·v·cos90°=0,洛伦兹力对运动电荷不做功、不改变速度大小和动能,只改变速度方向(起向心力作用)。判断"粒子在磁场中加速/减速""动能变化"类说法时要抓住这一点。

1.4 带电粒子在匀强磁场中的圆周运动(核心)

带电粒子垂直射入匀强磁场,洛伦兹力始终与速度垂直且大小不变,恰好充当向心力,粒子在垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动。

qvB = mv²/r ⇒ r = mv / qB
T = 2πr / v = 2πm / qB ; f = qB / 2πm
关键结论:①半径r与动量mv成正比、与qB成反比;②周期T与粒子速度v和轨道半径r无关,只由m、q、B决定——速度大的粒子半径大、走大圈,但转一圈时间相同(这正是回旋加速器原理);③粒子动能不变(洛伦兹力不做功)。
【难点深挖】画轨迹、定圆心、求时间
  • 定圆心:圆心在过入射点且垂直于速度的直线上;若已知粒子经过两个点,则圆心还在这两点连线的垂直平分线上——两线交点即圆心。
  • 求半径:几何关系(弦长l=2rsin(φ/2),φ为圆心角)+ r=mv/qB 联立。
  • 求运动时间:t = (圆心角φ/2π)·T = φm/qB(φ用弧度)。注意圆心角=2倍弦切角(速度偏转角等于圆心角)。
  • 偏转方向:正、负电荷在同一磁场中旋转方向相反(左手定则判断)。
B垂直纸面向里(×) r v 正电荷逆时针偏转 f=qvB指向圆心充当向心力
图1-1 正电荷垂直射入垂直纸面向里的匀强磁场:逆时针匀速圆周运动(负电荷反向)

1.5 质谱仪与回旋加速器

(1)速度选择器

正交的匀强电场E与匀强磁场B中,带电粒子受到反向的电场力与洛伦兹力;当 qE = qvB 时两力平衡,粒子沿直线匀速通过:

v = E / B

只有速度为E/B的粒子被"选中"(与电荷q、质量m、电性均无关;正负载流子两力同时反向仍平衡)。

(2)质谱仪

粒子经加速电压U加速:qU=½mv₀²;经速度选择器后以确定速度v进入偏转磁场B′做半圆运动打在感光片上,轨道直径 d=2r=2mv/qB′。已知q可测粒子质量m(或比荷q/m);不同质量同位素打在不同位置——分离同位素、测质量。

(3)回旋加速器

  • 结构:两个D形金属盒置于匀强磁场中,缝隙加交变电场。粒子在盒内做半圆运动(磁场使其回旋),每经过缝隙被电场加速一次。
  • 交变电场周期必须与粒子回旋周期同步:T电=T回=2πm/qB,保证每次过缝隙都加速。
  • 粒子最终从D形盒边缘射出时半径为R,最大速度 vm=qBR/m,最大动能 Ekm=q²B²R²/(2m)(由B和R决定,与加速电压U无关;U小则加速次数多)。
注意(相对论边界):粒子速度很大(接近光速)时质量按相对论明显增大,T=2πm/qB不再恒定、与交变电场失步,故回旋加速器加速能量有上限(高考计算仍按经典公式)。
拓展·霍尔效应
匀强磁场中通电导体(载流子为电子等)的载流子受洛伦兹力偏转,在垂直于电流和磁场的两侧积累电荷形成霍尔电压,平衡时 qvB=qUH/d。霍尔元件可测磁感应强度(磁传感器);我国"人造太阳"EAST、高能加速器、质谱分析等都离不开磁场对带电粒子的控制。

⑤ 模型陷阱 VS 物理真相

❌ 错误直觉

导线与磁感线平行时安培力最大。

✅ 物理真相

F=BILsinθ,I⊥B(θ=90°)时安培力最大;I与B平行(θ=0)时F=0。安培力方向总是垂直于I和B所决定的平面。

❌ 错误直觉

洛伦兹力像电场力一样可以对电荷做功、改变动能。

✅ 物理真相

f始终⊥v,洛伦兹力永不做功,只改变速度方向,不改变速度大小和动能;粒子在纯匀强磁场中做速率不变的圆周运动。

❌ 错误直觉

粒子速度越大,回旋周期越长。

✅ 物理真相

T=2πm/qB与v、r无关:v大则r=mv/qB成比例增大,走大圈,周期不变。回旋加速器正是利用这一点用固定频率交变电场反复加速。

❌ 错误直觉

判断电子受力时四指指向电子运动方向。

✅ 物理真相

左手定则四指规定为电流方向(正电荷运动方向);电子(负电荷)运动时四指应指向其运动的反方向,否则力方向判反。正、负粒子在同一磁场中偏转方向相反。

❌ 错误直觉

回旋加速器增大加速电压U就能提高粒子最大动能。

✅ 物理真相

最大动能Ekm=q²B²R²/(2m),由磁场B和D形盒半径R决定,与加速电压U无关;U只决定加速次数(U大则圈数少)。提高最大动能要增大B或R。

❌ 错误直觉

粒子在磁场中运动的时间t等于路程除以v后无从下手,或用整周期代替。

✅ 物理真相

部分圆弧运动时间按圆心角比例:t=(φ/2π)T=φm/qB(φ弧度)。先由几何关系找圆心、圆心角(=速度偏转角),再求时间,不能一律套一个T。

⑥ 本章重难点总结

逻辑主线

磁场对电流:安培力F=BIL(左手定则)→ 微观本质:洛伦兹力f=qvB(不做功)→ 垂直入射:匀速圆周运动 r=mv/qB、T=2πm/qB → 应用:速度选择器、质谱仪、回旋加速器

必背清单

  1. 安培定则判电流磁场方向;F=BILsinθ,垂直最大、平行为零
  2. 左手定则:磁感线穿掌心、四指电流方向、拇指受力方向
  3. f=qvBsinθ;负电荷四指反向;洛伦兹力不做功
  4. r=mv/qB;T=2πm/qB(与v、r无关)
  5. 圆心:垂直线交点;时间t=φm/qB
  6. 速度选择器v=E/B(与q、m无关)
  7. 回旋加速器最大动能q²B²R²/(2m),电场周期=回旋周期
【综合命题视角】

辽宁计算题常见"有界磁场"模型:粒子从直线边界/圆形边界射入,要求画轨迹、找圆心、求半径与穿出位置、运动时间;压轴题可与电场组合(先加速后偏转:qU=½mv²接r=mv/qB;或电偏转+磁偏转比较)。解题规范:①左手定则判偏转方向;②几何法定圆心半径(利用对称性:从同一直线边界射入又射出时速度与边界夹角相等);③列qvB=mv²/r。

⑦ 易错点辨析

说法判断说明
电流平行磁场受安培力最大✗平行时为零,垂直时最大
洛伦兹力可以做功✗f⊥v,永不做功
周期T随速度增大✗T与v、r无关
电子受力四指指电子运动方向✗四指指向其运动反方向
加速电压决定最大动能✗由B、R决定
磁感线从N极出发终止于S极✗磁感线闭合,磁体内部S→N
【审题坑清单】
  • 电性坑:看清粒子带正电还是负电(电子、负离子方向反转)
  • 边界坑:有界磁场中轨迹可能只画一段弧,注意粒子能否到达边界(先估半径)
  • 角度坑:圆心角、速度偏转角、弦切角关系(偏转角=圆心角=2×弦切角)
  • 多解坑:电性不明、入射方向不明时偏转方向有两解
  • 单位坑:eV与J换算(1eV=1.6×10⁻¹⁹J);q、m代入用绝对值算大小
  • 复合场坑:电场力做功、洛伦兹力不做功;平衡条件qE=qvB只选特定速度

⑧ 科学探究板块

探究:观察电子束在磁场中的偏转(洛伦兹力演示仪/阴极射线管)

1. 装置

阴极射线管(电子束经加速电压射出,管内低压气体或荧光屏显示径迹)、两组线圈(亥姆霍兹线圈,产生可调匀强磁场)、电源。

2. 实验方法与现象

  • 无磁场:电子束沿直线传播(径迹为直线亮线);
  • 加垂直于速度的磁场:电子束径迹弯成圆弧;改变磁场方向,偏转方向反向;增大磁感应强度B,圆弧半径减小(验证r=mv/qB,B越大r越小);
  • 增大加速电压U:电子速度增大,半径增大(v↑→r↑);
  • 磁场与速度平行时径迹不弯曲(f=0)。

3. 思想方法

控制变量法(分别改变B、U研究半径);转换法(电子不可见,借荧光/气体发光显示径迹)。

【注意与误差】
  • 判电子偏转方向时左手四指指向电子运动反方向;
  • 线圈电流方向决定磁场方向(安培定则);电子束较粗、磁场不均匀、气体阻力会使径迹与理想圆略有偏差。
【辽宁高考变式】
  • 结合演示仪:给加速电压U与B,推r=√(2mU/q)/B(由qU=½mv²与r=mv/qB联立)并判断如何改变r;
  • 质谱仪定量:给U、B′和落点间距求离子比荷/质量;
  • 速度选择器:判电场或磁场方向、能通过的粒子速度,以及速度偏大/偏小时粒子向哪侧偏转;
  • 联系科技:霍尔器件测B、磁约束、加速器的物理原理选择/简答。

⑨ 配套习题

【例1】安培力基础基础巩固必考重点

在B=0.50T的匀强磁场中放一根长L=0.20m的直导线,导线中通有I=4.0A的电流,电流方向与磁场方向垂直。求:(1)导线所受安培力大小;(2)若使导线转到与磁场方向平行,安培力变为多少?

查看答案与解析

答案:(1)F=0.40N;(2)F=0

(1):I⊥B时F=BIL=0.50×4.0×0.20=0.40N,方向由左手定则确定(垂直于I、B所决定的平面)。
(2):I与B平行时sinθ=0,F=BILsin0°=0。
常见错因:①漏看"垂直/平行"条件;②长度用cm不换m;③安培力方向误判在I与B平面内(实际垂直于该平面)。
【例2】带电粒子圆周运动中档综合模型难点

一质子(电荷量q=1.6×10⁻¹⁹C,质量m=1.6×10⁻²⁷kg)以v=2.0×10⁶m/s的速度垂直射入B=0.10T的匀强磁场中。求:(1)轨道半径r;(2)周期T(π取3.14);(3)若入射速度增大为原来的2倍,r和T各变为多少?

查看答案与解析

答案:(1)r=0.20m;(2)T≈6.28×10⁻⁷s;(3)r′=0.40m,T不变仍为6.28×10⁻⁷s

(1):r=mv/qB=(1.6×10⁻²⁷×2.0×10⁶)/(1.6×10⁻¹⁹×0.10)=3.2×10⁻²¹/1.6×10⁻²⁰=0.20m。
(2):T=2πm/qB=2×3.14×1.6×10⁻²⁷/(1.6×10⁻¹⁹×0.10)=6.28×10⁻⁷s。
(3):v′=2v,r∝v故r′=0.40m;T=2πm/qB不含v,故T不变,仍为6.28×10⁻⁷s。
常见错因:①幂运算错误(10⁻²¹/10⁻²⁰算成0.02);②误以为T随v变化;③把r=mv/qB与T公式混淆;④电子质量代成质子质量。
【例3】回旋加速器高考难度科技热点

一回旋加速器D形盒半径R=0.50m,匀强磁场B=0.20T,用来加速质子(q=1.6×10⁻¹⁹C,m=1.6×10⁻²⁷kg)。求:(1)质子射出时的最大速度vm;(2)最大动能Ekm(以J和MeV表示,1eV=1.6×10⁻¹⁹J);(3)所加交变电场的周期。

查看答案与解析

答案:(1)vm=1.0×10⁷m/s;(2)Ekm=8.0×10⁻¹⁴J=0.50MeV;(3)T≈3.14×10⁻⁷s

(1):射出时轨道半径等于R:qvmB=mvm²/R,vm=qBR/m=1.6×10⁻¹⁹×0.20×0.50/1.6×10⁻²⁷=1.6×10⁻²⁰/1.6×10⁻²⁷=1.0×10⁷m/s。
(2):Ekm=½mvm²=0.5×1.6×10⁻²⁷×(1.0×10⁷)²=0.5×1.6×10⁻²⁷×1.0×10¹⁴=8.0×10⁻¹⁴J;换算eV:8.0×10⁻¹⁴/1.6×10⁻¹⁹=5.0×10⁵eV=0.50MeV。
(3):交变电场周期=质子回旋周期:T=2πm/qB=2×3.14×1.6×10⁻²⁷/(1.6×10⁻¹⁹×0.20)=3.14×10⁻⁷s。
常见错因:①最大半径不取R;②Eₖ用qU直接算而不知加速次数;③J与eV换算错位(除以1.6×10⁻¹⁹);④电场周期误取T/2(质子每转一圈过缝隙两次,但电场每半周换向一次,其周期恰等于回旋周期T)。
【例4】速度选择器与洛伦兹力方向中档综合模型难点

(多选)速度选择器内有相互正交的匀强电场E和匀强磁场B,电场方向竖直向下、磁场方向垂直纸面向里,一束带电粒子(含正、负粒子)水平向右从左侧射入,不计重力。下列说法正确的是(   )

A. 只有速度大小满足v=E/B的粒子才能沿直线匀速通过
B. 能沿直线通过的粒子速度与其电荷量、质量均无关
C. 若粒子带正电且v>E/B,粒子将向下偏转
D. 若粒子带负电且v=E/B,因两力方向同时反向仍平衡,也能沿直线通过
查看答案与解析

答案:ABD

平衡条件:电场力qE与洛伦兹力qvB反向等大,qE=qvB,得v=E/B;q约去,故该速度与q大小、m、电性均无关,只有速度为E/B的粒子沿直线匀速通过,A、B正确。
C:正粒子所受电场力向下(与E同向);B向里、正电荷向右运动,由左手定则洛伦兹力向上。v>E/B时qvB>qE,合力向上,粒子应向上偏转,选项说"向下偏转",C错误。
D:负粒子电场力方向与E相反(竖直向上),向右运动时由左手定则(四指指向其运动反方向)洛伦兹力向下;v=E/B时两力同时反向且仍等大平衡,故负粒子同样能沿直线通过,D正确。
常见错因:①误认为选择器只让正电荷通过(实际只选速度,与电性、质量无关);②v偏大时不会比较qvB与qE判断偏转方向;③对负电荷不会反向使用左手定则,把D判错。

⑩ 章节思维导图

安培力与洛伦兹力
  • 磁场基础
    • B、磁感线闭合;安培定则
    • 匀强磁场、地磁场
  • 磁场的作用力
    • 安培力F=BILsinθ(左手定则)
    • 同向电流吸引、反向排斥
    • 洛伦兹力f=qvBsinθ(不做功)
    • 负电荷四指反向
  • 粒子圆周运动
    • r=mv/qB
    • T=2πm/qB(与v无关)
    • 定圆心、t=φm/qB
  • 应用
    • 速度选择器v=E/B
    • 质谱仪测质量/比荷
    • 回旋加速器Eₖ=q²B²R²/2m

⑪ 复习自检清单

1.1-1.2 磁场与安培力

1.3-1.4 洛伦兹力与圆周运动

1.5 科技应用

典型模型

高考陷阱识别

已掌握 0 / 24 项