Дія магнітного поля на заряджену частинку. Сила Лоренца.

Мета.

Навчальна. ввести поняття сили Лоренца, магнітної проникності речовини. Вивести розрахункові формули для визначення сили Лоренца за умови, що електрична складова рівна нулю. Вчитися розв’язувати задачі на силу Лоренца.

Розвиваюча. Розвивати фізичну компетентність, логічне мислення.

Виховна. Виховувати культуру наукового мовлення, оформлення розрахункових задач.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Підручник. Фізика 11 кл. Рівень стандарту:/ Бар'яхтар В.Г., Довгий С.О.

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Дія магнітного поля на заряджену частинку. Сила Лоренца.
3. Вчимося розв’язувати задачі.
4. Запитання до уроку.
5. Домашнє завдання.
6. Перевір себе.
7. Для допитливих.

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Дія магнітного поля на заряджену частинку. Сила Лоренца.

Сила Лоренца. Як з’ясувалося, магнітне поле взаємодіє лише з провідниками, якими проходить струм, і не чинить впливу на провідники без струму. Це свідчить про те, що магнітне поле діє не на матеріал провідника, а на заряджені частинки (електрони, йони), які в ньому переміщаються. Оскільки електричний струм — це напрямлений рух заряджених частинок, виникнення сили Ампера є результатом дії магнітного поля на окремі заряджені частинки, що рухаються в провіднику. Знайдемо силу, яка діє на заряджену частинку, що рухається в магнітному полі.

Силу, з якою магнітне поле діє на рухомий електричний заряд, називають силою Лоренца.

Ця сила названа на честь нідерландського фізика Гендріка Антона Лоренца (1853–1928), який вивів формулу для її обчислення. 

Рух зарядженої частинки під дією сили Лоренца. Сила Лоренца завжди перпендикулярна до швидкості руху частинки, тому вона не виконує роботу і не змінює кінетичну енергію частинки. Під дією сили Лоренца заряджена частинка рухається рівномірно.

Переконатися в існуванні сили Лоренца можна за допомогою простого досліду. Помістимо в сильне магнітне поле розрядну трубку з діафрагмою і світним екраном. Ми побачимо, що слід електронного пучка на екрані дещо зміститься. Це свідчить про те, що на електрони, які рухаються в магнітному полі, діє сила Лоренца, яка змушує їх змінювати траєкторію свого руху.

Легко перевірити, що її напрям збігається з напрямом, визначеним за допомогою правила лівої руки.

Правило лівої руки. Якщо долоню лівої руки розмістити так, щоб лінії магнітного поля входили в долоню, а фаланги пальців спрямувати за напрямком руху позитивно зарядженої частинки (або протилежно до руху негативно зарядженої частинки), тоді відігнутий на 90° великий палець вкаже  напрям сили Лоренца.

Проте траєкторія руху частинки буде різною — залежно від того, під яким кутом частинка влетіла в магнітне поле і чи є магнітне поле однорідним.

На русі зарядженої частинки в однорідному магнітному полі базується дія мас-спектрометрів — пристроїв, за допомогою яких можна виміряти питомий заряд частинки , а потім її ідентифікувати.

Той факт, що період обертання зарядженої частинки в однорідному магнітному полі не залежить ні від швидкості її руху, ані від радіуса траєкторії, використовують у  циклотронах. По суті циклотрон являє собою вакуумну камеру, розміщену між полюсами сильного електромагніту. У камері розташовано два порожнисті металеві півциліндри (дуанти). На дуанти подається змінна напруга, яка періодично прискорює частинки. Період зміни напруги дорівнює періоду обертання частинки в магнітному полі.

Циклотрон дозволяє прискорювати йони без застосування джерел високої напруги за рахунок багатократного попадання частинок в область прискорення. Циклотрони використовують у різних галузях науки і техніки. Наприклад, у медицині при радіоізотопній діагностиці пацієнтів та для нейтронної терапії онкологічних хворих. На базі прискорювачів різних типів розроблена технологія і освоєно виробництво трекових мембран із полімерних плівок. Трекові мембрани з високою пористістю є високоякісним фільтруючим матеріалом, який дозволяє здійснити процес стерилізуючої мікрофільтрації рідин і газів. Використання трекових мембран для очистки води є одним з найбільш перспективних напрямків забезпечення екологічної безпеки населення.

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 22.1. Визначте: а) напрямок руху частинки; б) знак заряду частинки; в) напрям магнітного поля, в якому рухається частинка.

Задача 22.2. В однорідне магнітне поле з індукцією 20 мТл перпендикулярно до ліній індукції влітає електрон з кінетичною енергією 32 кеВ. Визначте радіус траєкторій руху електрона. Елементарний електричний заряд 1,6⋅10–19 Кл, маса електрона 9⋅10–31 кг, 1 еВ=1,6⋅10–19 Дж.

Задача 22.3. Пройшовши прискорюючу різницю потенціалів 3,52·103 В, електрон влітає в однорідне магнітне поле з індукцією 0,01 Тл перпендикулярно до ліній індукції і рухається по колу радіуса 2 см. Обчисліть питомий заряд електрона.

4. Запитання до уроку.

Запитання 22.1. Дайте означення сили Лоренца. Який зв’язок між силою Ампера і силою Лоренца? За якими формулами визначають силу Лоренца?

Запитання 22.2. Як застосувати правило лівої руки для визначення напрямку сили Лоренца, що діє на заряджену частинку?

Запитання 22.3. Чому у правилі лівої руки чотири витягнуті пальці спрямовують за напрямком руху позитивно зарядженої частинки, але протилежно до напрямку руху негативно зарядженої частинки?

Запитання 22.4. Як рухатиметься заряджена частинка в магнітному полі, якщо її початкова швидкість напрямлена паралельно лініям магнітної індукції?

Запитання 22.5. Як рухатиметься заряджена частинка в магнітному полі, якщо її початкова швидкість напрямлена перпендикулярно лініям магнітної індукції?

Запитання 22.6. Як рухатиметься заряджена частинка в магнітному полі, якщо її початкова швидкість напрямлена під кутом до ліній магнітної індукції?

Запитання 22.7. Чому дві однойменно заряджені нерухомі частинки завжди відштовхуються, а ті самі частинки, розігнані до величезних швидкостей, можуть як притягуватися, так і відштовхуватися?

Запитання 22.8. Чи виконує сила лоренца механічну роботу?

Запитання 22.9. У трубці, заповненій газом, рухаються електрони. Якою буде траєкторія руху електронів, якщо трубку помістити в однорідне магнітне поле перпендикулярно до його індукції?

Запитання 22.10. У циклотронах на заряджену частинку діють і електричне поле, і магнітне поле. Яке поле «відповідає» за збільшення швидкості руху частинки? Яке поле «керує» рухом частинки по колу?

Запитання 22.11. Наведіть приклади застосування сили Лоренца.

Запитання 22.12. Які з частинок електричного пучка - швидкі чи повільні - відхиляються на більший кут в одному й тому магнітному полі? (повільні)

5. Домашнє завдання.

Підручник:  §12 .

Задача 22.4. Частинка, яка має заряд 2·10-8 Кл, рухається в однорідному магнітному полі зі швидкістю 4·104 м/с. Чому дорівнює сила Лоренца, яка діє на частинку, якщо індукція поля 3·10-5 Тл, а кут між векторами швидкості та магнітної індукції 30°? (В. 12·10-9 Н)

Задача 22.5. Протон, рухаючись в циклотроні в магнітному полі з індукцією 0,01 Тл, описав коло радіусом 10 см. Знайдіть швидкість протона. Заряд протона 1,6·10-19 Кл, маса протона -  1,67·10-27 кг. (В. 96 км/с)

Підготуватися до тестування. Сила Ампера. Сила Лоренца.

Усне опитування по запитаннях до уроку.

6. Перевір себе.

Задачі середнього рівня складності:

Задача 22.1.С. У магнітне поле зі швидкістю 1000 м/с влітає позитивно заряджена частинка. Визначити силу Лоренца, якщо заряд частинки 2е, а магнітна індукція поля 0,2 Тл.

Задачі підвищеної складності:

Задача 22.1.О. Вузький пучок позитивно заряджених частинок потрапляє в селектор швидкостей, в якому створені взаємно перпендикулярні електричне і магнітне поля (див. рисунок, ділянка 1). Напруженість електричного поля — 10 кН/Кл, магнітна індукція магнітного поля — 40 мТл.

1) З якою незмінною швидкістю повинна рухатися частинка, щоб вийти із селектора через

отвір О? Для чого, на вашу думку, призначений селектор швидкостей?

2) Потрапивши в магнітне поле мас-спектрометра індукцією 0,1 Тл, частинка описала коло радіусом 52 мм (ділянка 2). Яка це частинка?