Задача на применение силы лоренца

1. Актуализация опорных знаний

1. Проверка основных формул (дописать пропущенные физические величины)

2. Проверка единиц измерения физических величин:

Тл= Н/А*м; В= Дж/Кл; Гн= В*с/А; Н= кг* м/с2;
Кл=А*с; Дж=Н*м; Вб=Тл*м2

Εi F I Ф

q L A B

3. Проверка правила левой руки.

2. Фронтальный опрос.

1) Как называется сила, с которой магнитное поле действует на заряженную
частицу?

2) От чего зависит модуль силы Лоренца?

3) Как рассчитать модуль Fл?

4) Как определяется направление Fл? Сформулировать?

5) Изменяется ли модуль скорости в магнитном поле? Ее направление?

6) Как будет двигаться частица, если υ║B?

7) Как будет двигаться частица, если υ┴B?

8) Какой будет траектория, если 0°<α<90°?

9) Как поступают, если υ под углом α к В?

10) Как влияет υ║ на движение частицы?

11) Как влияет υ┴ на движение частицы?

12) Какой будет траектория?

3. Решение задач

1) В направлении, перпендикулярном линиям индукции в магнитное поле влетает
электрон со скоростью 10 Мм/с, окружность какого радиуса описал электрон, если
индукция поля 10мТл?

2) Чему равен период обращения электрона по окружности?

Т=2*3,14*9,1*10-31 /1,6*10-19*10-2
= 36*10-10 с.

Изменится ли сила Лоренца, если в магнитное поле на тех же условиях влетит
протон? Будет ли он двигаться по такой же окружности? С таким же периодом?

3) Электрон влетает в однородное магнитное поле с индукцией 5 мТл со
скоростью 10 Мм/с под углом 30° к вектору индукции. Определить шаг спирали, по
которой будет двигаться электрон.

Измениться ли шаг спирали, если в магнитное поле влетает протон? А если
магнитное поле будет однородным?

Усложним задачу. Рассмотрим движение частицы в электромагнитном поле.

Для начала вспомним, какое влияние оказывает эл. поле на заряженную частицу.

4) Электрон влетает со скоростью υ0 под углом α<90° к параллельно
направленным однородным электрическому и магнитному полям. Напряженность
электрического поля Е, индукция магнитного поля В. Сколько оборотов сделает
электрон до смены направления движения вдоль полей?

Что измениться, если в это поле попадет протон?

4. Определение алгоритма решения задачи.

1. Сделать чертеж.

2. Указать силовые линии магнитного поля (электрического поля).

3. Проставить вектор υ0, разложить его на составляющие.

4. Определить вид траектории.

5. Составить основное уравнение динамики с учетом сил, действующих на
частицу.

Задание: По чертежам определить, к какому типу (1, 2, 3) относится
задача.

α = 45°

υ= 5 Мм/с

1. Fл- ?

2. r- ?

3. Т- ?

5. Применение силы Лоренца.

1) Ускорение заряженных частиц.

2) Управление электронным пучком.

3) Определение удельного заряда и масс частиц.

4) Магнитные ловушки (удерживание частицы в заданном объеме).

6. Задание на дом.

7. Подведение итогов урока.

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.

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.

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.

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.

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

Тема урока: Сила Лоренца

Цель урока: научить применять правило левой руки для определения силы Лоренца и научить решать задачи по данной теме.

1. повторить понятие магнитного поля и его основных характеристик;

2. объяснить правило левой руки и ввести понятие силы Лоренца;

3. рассмотреть задачи на применение силы Лоренца.

Развивающие: развивать навыки логического мышления, внимательности посредством решения задач.

Воспитательные: формировать познавательный интерес положительной мотивации к учению.

Тип урока: объяснение нового материала.

Оборудование: интерактивная доска, мел, тетрадь, карточки.

Приветствие. На прошлом занятии мы познакомились с понятием «Магнитное поле». Давайте вспомним.

– Что такое магнитное поле? (силовое поле, которое порождается постоянными магнитами, движущимися зарядами либо проводником с электрическим током);

– Чем характеризуется магнитное поле? (магнитной индукцией – силовая характеристика, которая измеряется в Тл и определяется линиями магнитной индукции).

– Как выглядят линии магнитной индукции? (параллельные прямые, направлены от северного полюса к южному).

– Какое поле называют однородным магнитным полем? (поле, в котором магнитная индукция постоянна как по величине, так и по направлению).

– Что такое электрический ток? (направленное движение заряженных частиц).

Вероятно, есть сила, действующая на отдельные заряженные частицы. Эта сила носит название силы Лоренца. Наш урок посвящен сегодня изучению этой силы. Запишите тему урока. (1 слайд).

Сила, которая воздействует на любую заряженную частицу, влетающую в магнитное поле – сила Лоренца. И определяется по формуле:

, где α – угол между V и B. (слайд 3)

Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки: левую руку нужно расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, 4 вытянутых пальца были направлены по движению положительного заряда, а отогнутый большой палец укажет направление силы, действующей на заряд. (слайд4).

Но заряженные частицы в магнитное поле могут влетать по-разному. Рассмотрим 3 случая:

1.если заряд влетает в магнитное поле вдоль линий магнитной индукции, то Сила Лоренца равна 0.

2. Если заряд влетает в магнитное поле под каким-либо углом, то

3.Если заряд влетает перпендикулярно линиям магнитной индукции (т.е. линии магнитной индукции уходят в доску), то

• Задачи на определение направления силы Лоренца по рисункам на доске.
• Задача (решает преподаватель у доски с подробным разбором).

Электрон влетает в однородное магнитное поле со скоростью 10Мм/с. Индукция магнитного поля 0,6 Тл. Сила, с которой действует поле на электрон равна 0,48 пН. Под каким углом к линиям магнитной индукции влетает электрон? Ответ дать в градусах.

2 подобные задачи на самостоятельное решение на карточках. Решают самостоятельно, затем сверяем ответы. 2 человека на доске записывают решения. Все сдают листочки на проверку. (условие на слайде)

• Подведение итогов, выставление оценок (2 мин)
• Рефлексия: Что понравилось на уроке? Какие остались впечатления? Что-то осталось не понятным для вас?(2 мин)

На этом все, спасибо за урок!

1. Пря­мо­ли­ней­ный про­вод­ник дли­ной 0,2 м на­хо­дит­ся в од­но­род­ном маг­нит­ном поле с ин­дук­ци­ей 4 Тл и рас­по­ло­жен под углом 30° век­то­ру ин­дук­ции. Чему равен мо­дуль силы, дей­ству­ю­щей на про­вод­ник со сто­ро­ны маг­нит­но­го поля при силе тока в нем 2 А?

2.  Пря­мо­ли­ней­ный про­вод­ник дли­ной L с током I по­ме­щен в од­но­род­ное маг­нит­ное поле так, что на­прав­ле­ние век­то­ра маг­нит­ной ин­дук­ции B пер­пен­ди­ку­ляр­но про­вод­ни­ку. Если силу тока умень­шить в 2 раза, а ин­дук­цию маг­нит­но­го поля уве­ли­чить в 4 раза, то дей­ству­ю­щая на про­вод­ник сила Ам­пе­ра

4. Про­вод­ник с силой тока 10 А дли­ной 2 м на­хо­дит­ся в од­но­род­ном маг­нит­ном поле с ин­дук­ци­ей 0,5 Тл. При­чем на­прав­ле­ние маг­нит­но­го поля со­став­ля­ет 30° с на­прав­ле­ни­ем тока. Чему равна сила со сто­ро­ны маг­нит­но­го поля, дей­ству­ю­щая на про­вод­ник?

5. От­ри­ца­тель­ный то­чеч­ный заряд q дви­жет­ся со ско­ро­стью  V в од­но­род­ном маг­нит­ном поле с ин­дук­ци­ей В так, как по­ка­за­но на ри­сун­ке. На каком из сле­ду­ю­щих ри­сун­ков пра­виль­но по­ка­за­но на­прав­ле­ние силы Ло­рен­ца F , дей­ству­ю­щей на заряд со сто­ро­ны маг­нит­но­го поля?

7. Элек­трон вле­та­ет в од­но­род­ное маг­нит­ное поле с ин­дук­ци­ей 5 Тл со ско­ро­стью 1 км/с, на­прав­лен­ной под не­ко­то­рым углом 60° к си­ло­вым ли­ни­ям маг­нит­но­го поля. Най­ди­те зна­че­ния мо­ду­ля силы Ло­рен­ца, дей­ству­ю­щей на элек­трон. Заряд электрона q = – 1,6 *10-19 Кл.

1. На уча­сток пря­мо­го про­вод­ни­ка дли­ной 50 см в од­но­род­ном маг­нит­ном поле с ин­дук­ци­ей 2 Тл при силе тока в про­вод­ни­ке 20 А и на­прав­ле­нии век­то­ра ин­дук­ции маг­нит­но­го поля под углом 30° к про­вод­ни­ку дей­ству­ет сила Ам­пе­ра, при­бли­зи­тель­но рав­ная

2.  Пря­мо­ли­ней­ный про­вод­ник дли­ной L с током I по­ме­щен в од­но­род­ное маг­нит­ное поле пер­пен­ди­ку­ляр­но ли­ни­ям ин­дук­ции B. Как из­ме­нит­ся сила Ам­пе­ра, дей­ству­ю­щая на про­вод­ник, если его длину уве­ли­чить в 2 раза, а силу тока в про­вод­ни­ке умень­шить в 4 раза?

4. Пря­мо­ли­ней­ный про­вод­ник дли­ной 0,5 м, по ко­то­ро­му течет ток 6 А, на­хо­дит­ся в од­но­род­ном маг­нит­ном поле. Мо­дуль век­то­ра маг­нит­ной ин­дук­ции 0,2 Тл, про­вод­ник рас­по­ло­жен под углом 30° к век­то­ру В. Сила, дей­ству­ю­щая на про­вод­ник со сто­ро­ны маг­нит­но­го поля, равна

5.   От­ри­ца­тель­ный то­чеч­ный заряд q дви­жет­ся со ско­ро­стью V в од­но­род­ном маг­нит­ном поле с ин­дук­ци­ей В так, как по­ка­за­но на ри­сун­ке. На каком из сле­ду­ю­щих ри­сун­ков пра­виль­но по­ка­за­но на­прав­ле­ние силы Ло­рен­ца F , дей­ству­ю­щей на заряд со сто­ро­ны маг­нит­но­го поля?

7. Заряженная частица электрон влетает в однородное магнитное поле с индукцией 2 Тл в вакууме со скоростью 105 м/с перпендикулярно линиям магнитной индукции. Вычислим силу, действующую на электрон. Заряд электрона q = – 1,6 *10-19 Кл.

В данной разработке представлены примеры решения задач.После чего по аналогии можно решать другие задачи по данной теме _ Сила Лоренца.сила Ампера.

Вы уже знаете о суперспособностях современного учителя?

https://youtube.com/watch?v=K0px2wo-Y7c%3Frel%3D0

Тратить минимум сил на подготовку и проведение уроков.

Быстро и объективно проверять знания учащихся.

Сделать изучение нового материала максимально понятным.

Избавить себя от подбора заданий и их проверки после уроков.

Наладить дисциплину на своих уроках.

Получить возможность работать творчески.

Просмотр содержимого документа

«Дидактический материал для решения задач по теме “Сила Лоренца, Сила Ампера!»

Определить силу, с которой однородное магнитное поле действует на проводник длиной 20 см, если сила тока в нем 300 мА, расположенный под углом 45 градусов  к вектору магнитной индукции.  Магнитная индукция составляет 0,5 Тл.

Проводник с током 5 А находится в магнитном поле с индукцией 10 Тл.  Определить длину проводника, если магнитное поле действует на него с силой 20Н и перпендикулярно проводнику.

Определить силу тока в проводнике длиной 20 см, расположенному перпендикулярно силовым линиям магнитного поля с индукцией 0,06 Тл, если на него со стороны  магнитного поля действует сила 0,48 Н.

Проводник длиной 20см с силой тока 50 А находится в однородном магнитном поле с индукцией 40 мТл. Какую работу совершит источник тока, если проводник переместится на 10 см перпендикулярно вектору магнитной индукции (вектор магнитной индукции перпендикулярен направлению тока в проводнике).

Проводник длиной 0,15 м перпендикулярен вектору магнитной индукции однородного магнитного поля, модуль которого В=0,4 Тл. Сила тока в проводнике  8 А.  Найдите работу, которая  была совершена при перемещении проводника на 0,025 м по направлению действия силы Ампера.

Определить силу, действующую на заряд 0,005 Кл, движущийся в магнитном поле с индукцией 0,3 Тл со скоростью 200 м/с под углом 45 градусов к вектору магнитной индукции.

Какова скорость заряженного тела, перемещающегося в магнитном поле  с индукцией 2 Тл, если на него со стороны  магнитного поля действует сила32 Н. Скорость и магнитное поле взаимно перпендикулярны. Заряд тела равен 0,5 мКл.

Определить центростремительную силу, действующую на протон в однородном магнитном поле с индукцией 0,01 Тл (вектор магнитной индукции перпендикулярен вектору скорости), если радиус окружности, по которой он движется, равен 5 см.

С каким ускорением движется электрон в однородном магнитном поле (вектор магнитной индукции перпендикулярен вектору скорости) с индукцией 0,05 Тл, если сила Лоренца, действующая на него, равна 5×10-13 Н. (Так как сила Лоренца является одновременно и центростремительной силой, и электрон движется по окружности, в задаче требуется рассчитать центростремительное ускорение, которое приобретает электрон в результате действия центростремительной силы.)

Государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Луганской Народной Республики

«Луганский колледж автосервиса им. А.А.Гизая»

Методическая разработка урока по физике

тема: «Сила Ампера. Сила Лоренца»

разработал: Крючков В.В.

Цель урoка: сфoрмирoвать представление o воздействии магнитнoго пoля на проводник с током и простейшие заряженные частицы.

• Сформировать понятия силы Ампера и силы Лоренца, направление их действия.
• Сформировать умение решать задачи с использованием формул для расчета силы Ампера и силы Лоренца.
• Проконтролировать степень усвоения знаний, умений и навыков по данной теме.

• Продолжить работу по формированию умения анализировать, делать выводы.
• Продолжить развитие умения использовать теоретические знания при решении задач.

• Продолжать работу по формированию внимания, усидчивости, аккуратности, доброжелательного отношения к товарищам, воспитание умения слушать мнение других.
• Совершенствовать навыки самостоятельной работы.

Приветствие. Проверка посещаемости обучающихся.

Беседа по вопросам:

– Вспомните свойства магнитного поля.

– Какова основная характеристика магнитного поля?

– На основе, каких действий поля она вводится?

Задание: Угадайте o какoм предмете идет речь?

Приoритет на егo изoбретение oспаривают Испания, Италия, Пoртугалия, Франция, а также арабские страны;

Есть сведения, чтo этoт предмет в виде статуэтки императoра с вытянутoй рукoй пoмoг китайским вoйскам сoвершить маневр в тумане и выиграть битву еще в 27 веке дo н.э.;

Первoе письменнoе упoминание oб егo испoльзoвании в мoреплавании oтнoсится к 11 веку.

O каких явлениях мы будем гoвoрить? – o магнитных.

Если тoки в прoвoдниках имеют oдинакoвые направления, тo прoвoдники притягиваются с равными пo величине силами.

Сила взаимoдействия параллельных тoкoв прямo прoпoрциoнальна прoизведению сил тoкoв выбраннoй длины прoвoдника и oбратнo прoпoрциoнальна расстoянию между прoвoдниками.

На прoвoдник с тoкoм действует сила Ампера, т.е

Сила Ампера – этo сила, с кoтoрoй магнитнoе пoле действует на электрический тoк.

Сила действующая на проводник с током со стороны магнитного поля, прямо пропорциональна силе тока, длине проводника, модулю вектора магнитной индукции, синусу угла между вектором индукции магнитного поля и проводником.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки:

«Если распoлoжить левую руку так, чтoбы линии магнитной индукции вхoдили в ладoнь, а вытянутые пальцы были направлены вдoль направления тoка в проводнике, тo oтведенный бoльшoй палец укажет направление действия силы Ампера, действующей на прoвoдник»

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

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:

Выражение для силы Ампера можно записать в виде:

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

Силы, с которой магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу, называется силой 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 ее скорость  лежит в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции, то частица будет двигаться по окружности радиуса

Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы.

Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен

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

Угловая скорость движения заряженной частицы по круговой траектории

называется циклотронной частотой. 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 рисунке.

Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров (дуантов). К дуантам приложено переменное электрическое напряжение, частота которого равна циклотронной частоте. Заряженные частицы инжектируются в центре вакуумной камеры. Частицы ускоряются электрическим полем в промежутке между дуантами. Внутри дуантов частицы движутся под действием силы Лоренца по полуокружностям, радиус которых растет по мере увеличения энергии частиц. Каждый раз, когда частица пролетает через зазор между дуантами, она ускоряется электрическим полем. Таким образом, в циклотроне, как и во всех других ускорителях, заряженная частица ускоряется электрическим полем, а удерживается на траектории магнитным полем. Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергии порядка 20 МэВ.

Однородные магнитные поля используются во многих приборах и, в частности, в масс-спектрометрах – устройствах, с помощью которых можно измерять массы заряженных частиц – ионов или ядер различных атомов. Масс-спектрометры используются для разделения изотопов, то есть ядер атомов с одинаковым зарядом, но разными массами (например, 20Ne и 22Ne). Ионы, вылетающие из источника S, проходят через несколько небольших отверстий, формирующих узкий пучок. Затем они попадают в селектор скоростей, в котором частицы движутся в скрещенных однородных электрическом и магнитном полях.

Выставление оценок за урок в журнал.