Сила лоренца конспект 9 класс

Обновлено: 02.07.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

План-конспект урока по физике в 9 классе по теме:

Учитель физики: Милославская Надежда Николаевна

ГБОУ СОШ п.г.т. Балашейка муниципального района Сызранский Самарской области

- рассмотреть действие магнитного поля на проводник с током и на движущуюся заряженную частицу;

- ввести понятия: сила Ампера и сила Лоренца;

- выяснить от чего зависит величина и направление этих сил;

-научить применять свои знания при решении задач на определение направления действия силы Лоренца и силы Ампера;

-формирование умений принимать решения, брать ответственность на себя;

- воспитывать дисциплинированность, ответственное отношение к учебному труду;

- выработка внимательности при решении задач;

- воспитать умение работать в коллективе;

- развивать творческую активность и самостоятельность учеников;

- развивать умения выделять главное, делать выводы,

- развивать физически грамотную речь, логическое мышление;

- развивать объективную самооценку;

- совершенствовать экспериментальные навыки;

- развитие теоретического мышления при анализе информации.

Тип урока: комбинированный.

Источник тока, набор проволочных рамок, комплект дугообразных магнитов, соединительные провода;

Учебные амперметры, батарейки, шурупы стальные.

Оборудование: компьютер, экран, проектор.

Организационный момент - 1 минута

Этап постановки целей урока совместно с учащимися – 3 минуты

Этапы изучения нового материала – 13 минут

фронтальное экспериментальное задание (работа в парах).

Этап закрепления новых знаний – 10 минут

- применение полученных знаний для объяснения некоторых природных явлений;

Подведение итогов (рефлексия) – 3 минуты

I Организационный момент

Приветствие учителя, проверка подготовленности учащихся к учебному занятию.

II Этап постановки целей урока

Знаете ли вы что такое большой адронный коллайдер, для чего его используют (ускоритель заряженных частиц, наблюдают за результатами столкновения заряженных частиц) . Частицы ускоряют с помощью электрического поля, по какой траектории они должны двигаться (по прямолинейной) . Но обратите внимание на форму коллайдера (это окружность). Значит на движущиеся заряженные частицы должен действовать ещё один объект, чтобы изменить их траекторию (магнитное поле) . Целью нашего урока будет изучение действия магнитного поля (на движущиеся заряженные частицы) .

III Этап изучения нового материала

Можем ли мы сейчас наблюдать движение заряженных частиц (нет) , тогда как же на выявить закономерности действия магнитного поля на движущиеся заряженные частицы. Вспомним определение электрического тока (направленное движение заряженных частиц) . Поведение проводника с током в магнитном поле мы вполне можем наблюдать и выявить соответствующие закономерности, которые можем применить и для движущихся заряженных частиц в магнитном поле.

Демонстрационный эксперимент

В ходе эксперимента можно наблюдать тот факт, что в магнитном поле на проводник с током действует сила, которая называется силой Ампера. Так как сила – величина векторная, то целесообразно для определить от чего зависит её величина и направление. На опыте убеждаемся, что направление силы ампера зависит от направления линий магнитного поля и направления силы тока. Формулируем правило левой руки : если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по току, то отставленный на 90 0 большой палец покажет направление силы Ампера. От чего же зависит величина этой силы? Выясним это на опыте: изменим силу тока в проводнике, заменим магнит на менее сильный. Что получилось? (сила Ампера зависит от силы магнитного поля, от силы тока в проводнике). Кроме того, она зависит и от длины проводника.

Фронтальное экспериментальное задание (работа в парах)

Учащимся предлагается разобраться в принципе работы школьного амперметра (в основу положена сила Ампера).

Теперь переходим к рассмотрению поведения отдельно взятой движущейся частицы в магнитном поле. По аналогии на неё тоже должна действовать сила со стороны магнитного поля, которая называется силой Лоренца. Проиллюстрируем её проявление на примере, а именно остановимся на принципе работы масс-спектрографа (прибора для измерения масс заряженных частиц). Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной), то отставленный на 90 0 большой палец покажет направление действующей на частицу силы Лоренца. Как вы думаете от чего зависит величина силы Лоренца? (от силы магнитного поля, величины заряда, скорости движения заряда).

I V Этап закрепления новых знаний

Теперь давайте выполним упражнения на определение направления силы Ампера и силы Лоренца (упражнения представлены на слайде).

А знаете ли Вы, что во время вспышек на Солнце в космическое пространство испускается огромное количество заряженных частиц, магнитное поле Земли является своеобразным щитом, который защищает жителей нашей планеты от потока этих частиц и от их негативного воздействия.

Ввести понятие силы Лоренца и создать условия для понимания учащимися её физической сущности.

Вложение	Размер
urok_sila_lorentsa.docx	98.47 КБ

Предварительный просмотр:

Ввести понятие силы Лоренца и создать условия для понимания учащимися её физической сущности.

I. Организационный момент

II. Актуализация знаний

- Что такое электромагнитное поле?

- Какие величины определяют состояние электромагнитного поля?

- Какая сила называется электрической?

- Какая сила называется магнитной?

- Что такое пробный заряд?

- Как определяется электрическая напряженность?

- Что называется магнитной индукцией?

- Как описывается взаимодействие заряженных частиц на языке теории поля?

III. Изучение нового материала

Сила Лоренца - сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся электрически заряженную частицу.

где q - заряд частицы;
V - скорость заряда;
B - индукции магнитного поля;
a - угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки:

Если поставить левую руку так, чтобы перпендикулярная скорости составляющая вектора индукции входила в ладонь, а четыре пальца были бы расположены по направлению скорости движения положительного заряда (или против направления скорости отрицательного заряда), то отогнутый большой палец укажет направление силы Лоренца
.

IV. 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?

V. Решение задач

1. В однородном магнитном поле, индукция которого равна 2 Тл, движется электрон со скоростью 10 5 м/с перпендикулярно линиям магнитной индукции. Вычислите силу, действующую на электрон.

Сила Лоренца представляет собой комбинацию магнитной и электрической силы на точечном заряде, который вызван электромагнитными полями. Или другими словами, сила Лоренца – это сила, действующая на всякую заряженную частицу, которая падает в магнитном поле с определенной скоростью. Ее величина зависит от величины магнитной индукции В, электрического заряда частицы q и скорости, с которой частица падает в поле – V. О том какая формула расчета силы Лоренца, а также ее практическое значение в физике читайте далее.

Немного истории

Первые попытки описать электромагнитную силу были сделаны еще в XVIII веке. Ученые Генри Кавендиш и Тобиас Майер высказали предположение, что сила на магнитных полюсах и электрически заряженных объектах подчиняется закону обратных квадратов. Однако экспериментальное доказательство этого факта не было полным и убедительным. Только в 1784 году Шарль Августин де Кулон при помощи своего торсионного баланса смог окончательно доказать это предположение.

Джей Джей Томпсон был первым физиком, кто попытался вывести из уравнения поля Максвелла электромагнитную силу, которые действует на движущийся заряженный объект. В 1881 году он опубликовал свою формулу F = q/2 v x B. Но из-за некоторых просчетов и неполного описания тока смещения она оказалась не совсем правильной.

Формула

Формула для расчета силы Лоренца выглядит следующим образом:

Где q – электрический заряд частицы, V – ее скорость, а B – величина магнитной индукции магнитного поля.

При этом поле B выступает в качестве силы, перпендикулярной к направлению вектора скорости V нагрузок и направлению вектора B. Это можно проиллюстрировать на диаграмме:

Правило левой руки

Правило левой руки позволяет физикам определять направление и возврат вектора магнитной (электродинамической) энергии. Представьте себе, что наша левая рука расположена таким образом, что линии магнитного поля направлены перпендикулярно внутренней поверхности руки (так, что они проникают внутрь руки), а все пальцы за исключением большого указывают на направление протекания положительного тока, отклоненный большой палец указывает на направление электродинамической силы, действующий на положительный заряд, помещенный в это поле.

Вот так это будет выглядеть схематически.

Есть также и второй способ определения направления электромагнитной силы. Он заключается в расположении большого, указательного и среднего пальцев под прямым углом. В этом случае указательный палец будет показывать направление линий магнитного поля, средний – направление движение тока и большой – направление электродинамической силы.

Практическое применение

Сила Лоренца и ее расчеты имеет свое практическое применение при создании как специальных научных приборов – масс-спектрометров, служащих для идентификации атомов и молекул, так и создании многих других устройств самого разнообразного применения. Среди устройств есть и электродвигатели, и громкоговорители, и рельсовые пистолеты.

Также способность силы Лоренса связывать механическое смещение с электрическим током представляет большой интерес для медицинской акустики.

Видео

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

Один комментарий

Павел Чайка ! – так в чем же ПРИРОДА сил Лоренца (да и Ампера)? Ответ вы ни где не найдете, пока не подумаете сами. А вот насчет того, что сила Лоренца не совершает работу = все повторяют это, но сравните сами кинетическую энергию частицы до .. и после, после того как она движется в магнитном поле по кругу: здесь энергия больше, чем вначале.
Я к чему это? Наука зашла в тупик, следовало бы задавать больше вопросов, выяснять суть процессов (а не УРА!, КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА ВСЕ ОБЪЯСНИТ), заставлять ЗАДУМЫВАТЬСЯ над вопросами, а не подавать все готовенькое, и при том искаженное.

Как известно, на любой движущийся в магнитном поле заряд действует сила Лоренца (если только он не двигается параллельно линиям магнитной индукции). На данном уроке мы разберём задачи на силу Лоренца.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Сила Лоренца"

«Великая книга природы

Галилео Галилей

Данная тема посвящена решению задач на силу Лоренца.

Задача 1. Протон влетает в однородное магнитное поле с начальной скоростью 20 Мм/с под углом 45º к направлению линий магнитной индукции. Найдите модуль вектора магнитной индукции этого поля, если на протон действует сила 4×10 –13 Н.

Сила Лоренца определяется по формуле

Тогда модуль вектора магнитной индукции равен

Ответ: 177 мТл.

Задача 2. Электрон влетает в магнитное поле с индукцией 25 мкТл. Определите радиус кривизны траектории, по которой электрон будет двигаться, если направление его начальной скорости перпендикулярно направлению линий магнитной индукции. Начальная скорость электрона равна 630 км/с.

Применим правило левой руки: если расположить левую руку так, что линии магнитной индукции входят в ладонь, а четыре пальца указывают направление скорости, то отогнутый большой палец укажет направление силы Лоренца, которая будет действовать на положительный заряд. Электрон имеет отрицательный заряд, поэтому сила Лоренца направлена в противоположную сторону.

Сила Лоренца определяется по формуле

Согласно второму закону Ньютона

Центростремительное ускорение равно отношению квадрата скорости к радиусу кривизны траектории, а синус девяноста градусов равен единице, тогда получаем, что

Тогда радиус кривизны траектории равен

Ответ: 14 см.

Задача 3. Частица влетает в однородное магнитное поле и пролетает сквозь него без изменения траектории. В каких случаях это возможно?

Траектория движения частицы не будет изменяться если сила Лоренца будет равна нулю.

Запишем формулу для определения силы Лоренца

Данное произведение будет равно нулю в том случае, если один из множителей равен нулю. По условию задачи скорость и индукция поля не равны нулю. Следовательно,

Ответ: либо частица двигается параллельно линиям магнитной индукции, либо она не имеет заряда.

Задача 4. В однородном магнитном поле с индукцией 0,2 мТл по окружности движется частица. Найдите время, за которое направление скорости частицы изменится на противоположное, если заряд частицы равен 60 нКл, а масса – 2×10 –13 кг.

Запишем формулу, по которой вычисляется сила Лоренца

При любом криволинейном движении тело движется с центростремительным ускорением.

Запишем второй закон Ньютона

С учётом того, что центростремительное ускорение равно отношению квадрата скорости к радиусу кривизны траектории, получим

Приравняем выражения для определения радиуса кривизны

Т.к время есть отношение пройденного пути к скорости, то

Ответ: 52 мс.

Задача 5. Протон, пройдя ускоряющую разность потенциалов 60 В, влетел в однородное магнитное поле с индукцией 5×10 –2 Тл. Считая, что протон вращается в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции, найдите радиус кривизны траектории и частоту вращения.

Запишем формулу для определения силы Лоренца

При любом криволинейном движении тело двигается с центростремительным ускорением. Исходя из этого, запишем второй закон Ньютона

Любое движущееся тело обладает кинетической энергией

Работа электрического поля по переносу заряда определяется как

Именно работа электрического поля, в данном случае, переходит в кинетическую энергию протона. Поэтому получаем

Выразим скорость и подставим её в формулул для определения радиуса кривизны траектории

Частота вращения определяется по формуле

Ответ: радиус кривизны траектории – 2,24 см; частота вращения – 760 кГц.

На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. Однако магнитное поле способно взаимодействовать и с отдельными электрическими зарядами. Рассмотрим кратко эту тему, узнаем, как определить направление и величину силы, действующей на заряд в магнитном поле.

Взаимодействие магнитного поля с зарядами

Опыты показывают, что магнитное поле никак не влияет на покоящийся электрический заряд. Почему же магнитное поле взаимодействует с проводником с электрическим током, который представляет собой движущиеся электрические заряды ?

Причина в движении зарядов. Магнитное поле не взаимодействует с зарядом, пока его скорость в этом поле равна нулю. Однако, как только заряд начинает двигаться, сразу же возникает сила, направленная перпендикулярно вектору скорости заряда.

Это приводит к интересному результату. Из механики известно, что если материальная точка движется под действием силы, направленной перпендикулярно вектору скорости, то ее траектория представляет собой окружность. Именно это и происходит с движущимися заряженными частицами в однородном магнитном поле. Заряженные частицы под действием магнитного поля движутся по окружностям.

Рис. 1. Движение заряженной частицы в магнитном поле.

Сила Лоренца

Сила, которая возникает при движении заряда в магнитном поле, называется силой Лоренца. Именно силы Лоренца, действующие на отдельные заряды в проводнике, приводят к появлению общей силы Ампера. Поэтому формулу силы Лоренца можно получить из закона Ампера.

Сила Ампера равна:

$$F_A= IB Δl sin \alpha$$

Величина тока, идущая в проводнике, прямо пропорциональна величине заряда носителей $q$, их концентрации $n$, скорости их движения $v$ и площади поперечного сечения проводника $S$:

Подставляя это выражение в предыдущую формулу, получим:

$$ F_A = qnvSBΔl sin \alpha$$

Сила Ампера действует на проводник в результате сложения сил Лоренца, действующих на каждый из зарядов в проводнике. То есть для получения силы Лоренца, действующей на отдельный носитель, надо величину силы Ампера поделить на число носителей. Число носителей $N$ равно произведению концентрации носителей на объем проводника:

Следовательно, сила Лоренца равна:

Как и в случае силы Ампера, угол $\alpha $ — это угол между направлением движения носителя заряда (вектором скорости) и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяется точно так же, как и направление силы Ампера: с помощью мнемонического правила левой руки. Если расположить левую руку так, чтобы четыре пальца были направлены по направлению движения положительного заряда (против направления для отрицательного), а перпендикулярная составляющая индукции $B_<\perp>$ входила в ладонь, то большой палец покажет направление силы Лоренца.

Рис. 2. Правило левой руки.

Получается, что сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно движению заряженной частицы. А это значит, что сила Лоренца не совершает работу и, следовательно, не меняет кинетическую энергию частицы. Она меняет лишь направление ее движения.

Примером использования силы Лоренца является отклоняющая система кинескопов. Отклоняющие системы в телевизорах с кинескопами представляют собой электрические катушки, создающие меняющееся магнитное поле. Под действием этого поля на электроны, вылетающие из электронной пушки, начинает действовать сила Лоренца, они отклоняются и направляются в нужную в данный момент точку экрана.

Рис. 3. Отклоняющая система кинескопа.

Что мы узнали?

Сила Лоренца — это сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся электрический заряд. Сила Лоренца направлена перпендикулярно скорости движения частицы, и для определения этого направления используется правило левой руки. В однородном магнитном поле траектории заряженных частиц, движущихся под действием силы Лоренца, представляют собой окружности.

Читайте также: