高中物理 第三章 磁場《洛倫茲力的應用》參考課件 教科版選修31

第五節(jié)洛倫茲力的應用第五節(jié)洛倫茲力的應用核心要點突破核心要點突破課堂互動講練課堂互動講練知能優(yōu)化訓練知能優(yōu)化訓練第第五五節(jié)節(jié)洛洛倫倫茲茲力力的的應應用用課前自主學案課前自主學案課標定位課標定位學習目標：學習目標：1.知道洛倫茲力只改變帶電粒子速知道洛倫茲力只改變帶電粒子速度方向，不改變其速度大小度方向，不改變其速度大小2知道質譜儀和回旋加速器的構造和原理知道質譜儀和回旋加速器的構造和原理重點難點：質譜儀和回旋加速器的原理和應重點難點：質譜儀和回旋加速器的原理和應用用課前自主學案課前自主學案Bv0圖圖3512特點：只改變帶電粒子的特點：只改變帶電粒子的_，不，不改變帶電粒子的改變帶電粒子的_二、質譜儀和回旋加速器二、質譜儀和回旋加速器1質譜儀質譜儀(1)原理圖：如圖原理圖：如圖352圖圖352運動方向運動方向速度大小速度大小qUqvB質量質量m質量質量同位素同位素2回旋加速器回旋加速器(1)構造圖：如圖構造圖：如圖353圖圖353回旋加速器的核心部件是兩個回旋加速器的核心部件是兩個_.D形盒形盒不變不變核心要點突破核心要點突破一、質譜儀工作原理的理解一、質譜儀工作原理的理解質譜儀是利用電場和磁場控制電荷運動的精密儀質譜儀是利用電場和磁場控制電荷運動的精密儀器，它是測量帶電粒子的質量和分析同位素的重要器，它是測量帶電粒子的質量和分析同位素的重要工具其結構如圖工具其結構如圖354甲所示，容器甲所示，容器A中含有電中含有電荷量相同而質量有微小差別的帶電粒子經過荷量相同而質量有微小差別的帶電粒子經過S1和和S2之間的電場加速，它們進入磁場將沿著不同的半之間的電場加速，它們進入磁場將沿著不同的半徑做圓周運動，打到照相底片的不同地方，在底片徑做圓周運動，打到照相底片的不同地方，在底片上形成若干譜線狀的細條，叫做質譜線每一條譜上形成若干譜線狀的細條，叫做質譜線每一條譜線對應于一定的質量從譜線的位置可以知道圓周線對應于一定的質量從譜線的位置可以知道圓周的半徑，如果再已知帶電粒子的電荷量，就可以算的半徑，如果再已知帶電粒子的電荷量，就可以算出它的質量，這種儀器叫做質譜儀出它的質量，這種儀器叫做質譜儀圖圖354即時應用即時應用(即時突破，小試牛刀即時突破，小試牛刀)1.如圖如圖355是質譜儀的工作原理示意圖帶是質譜儀的工作原理示意圖帶電粒子被加速電場加速后，進入速度選擇器，速電粒子被加速電場加速后，進入速度選擇器，速度選擇器內相互正交的勻強磁場和勻強電場的強度選擇器內相互正交的勻強磁場和勻強電場的強度分別為度分別為B和和E.平板平板S上有可讓粒子通過的狹縫上有可讓粒子通過的狹縫P和記錄粒子位置的膠片和記錄粒子位置的膠片A1A2.平板平板S下方有強度為下方有強度為B0的勻強磁場下列表述正確的是的勻強磁場下列表述正確的是()圖圖355A質譜儀是分析同位素的重要工具質譜儀是分析同位素的重要工具B速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向外速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向外C能通過狹縫能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于的帶電粒子的速率等于E/BD粒子打在膠片上的位置越來越靠近狹縫粒子打在膠片上的位置越來越靠近狹縫P，粒子的荷質比越小粒子的荷質比越小二、對回旋加速器的正確認識二、對回旋加速器的正確認識1回旋加速器的原理回旋加速器的原理回旋加速器的工作原理如圖回旋加速器的工作原理如圖356所示放在所示放在A0處的粒子源發(fā)出一個帶正電的粒子，它以某一速率處的粒子源發(fā)出一個帶正電的粒子，它以某一速率v0垂直進入勻強磁場中，在磁場中做勻速圓周運垂直進入勻強磁場中，在磁場中做勻速圓周運動經過半個周期，當它沿著半圓動經過半個周期，當它沿著半圓A0A1時，我們在時，我們在A1A1處設置一個向上的電場，使這個帶電粒子在處設置一個向上的電場，使這個帶電粒子在A1A1處受到一次電場的加速，速率由處受到一次電場的加速，速率由v0增加到增加到v1，然后粒子以速率然后粒子以速率v1在磁場中做勻速圓周運動在磁場中做勻速圓周運動圖圖356我們知道，粒子的軌道半徑跟它的速率成正比，我們知道，粒子的軌道半徑跟它的速率成正比，因而粒子將沿著增大了的圓周運動又經過半個因而粒子將沿著增大了的圓周運動又經過半個周期，當它沿著半圓弧周期，當它沿著半圓弧A1A2到達到達A2時，我時，我們在們在A2A2處設置一個向下的電場，使粒子又一處設置一個向下的電場，使粒子又一次受到電場的加速，速率增加到次受到電場的加速，速率增加到v2.如此繼續(xù)下去，如此繼續(xù)下去，每當粒子運動到每當粒子運動到A1A1、A3A3等處時都使它受等處時都使它受到一個向上電場的加速，每當粒子運動到到一個向上電場的加速，每當粒子運動到A2A2、A4A4等處時都使它受到一個向下電場的加速，等處時都使它受到一個向下電場的加速，那么，粒子將沿著圖示的螺旋線回旋下去，速率那么，粒子將沿著圖示的螺旋線回旋下去，速率將一步一步地增大將一步一步地增大特別提醒：特別提醒：由上式可以看出，要使粒子射出由上式可以看出，要使粒子射出的動能的動能Ekm增大，就要使磁場的磁感應強度增大，就要使磁場的磁感應強度B以及以及D形盒的半徑形盒的半徑R增大，而與加速電壓增大，而與加速電壓U的的大小無關大小無關(U0)即時應用即時應用(即時突破，小試牛刀即時突破，小試牛刀)2.回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電極相連接的兩個分是分別與高頻交流電極相連接的兩個D形金屬形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的電場，盒，兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的電場，使粒子在通過狹縫時都能得到加速，兩使粒子在通過狹縫時都能得到加速，兩D形金屬形金屬盒處于垂直于盒底的勻強磁場中，如圖盒處于垂直于盒底的勻強磁場中，如圖357所示，要增大帶電粒子射出時的動能，則下列說所示，要增大帶電粒子射出時的動能，則下列說法中正確的是法中正確的是()圖圖357A增大勻強電場間的加速電壓增大勻強電場間的加速電壓B增大磁場的磁感應強度增大磁場的磁感應強度C減小狹縫間的距離減小狹縫間的距離D增大增大D形金屬盒的半徑形金屬盒的半徑三、帶電粒子在復合場中運動的分析方法和思路三、帶電粒子在復合場中運動的分析方法和思路1弄清復合場的組成一般有磁場、電場的復弄清復合場的組成一般有磁場、電場的復合，磁場、重力場的復合，磁場、電場、重力場合，磁場、重力場的復合，磁場、電場、重力場三者的復合三者的復合2正確進行受力分析，除重力、彈力、摩擦力正確進行受力分析，除重力、彈力、摩擦力外要特別注意靜電力和磁場力的分析外要特別注意靜電力和磁場力的分析3確定帶電粒子的運動狀態(tài)，注意運動情況和確定帶電粒子的運動狀態(tài)，注意運動情況和受力情況的結合受力情況的結合4對于粒子連續(xù)通過幾個不同情況的場的問題，對于粒子連續(xù)通過幾個不同情況的場的問題，要分階段進行處理要分階段進行處理5畫出粒子的運動軌跡，靈活選擇不同的運畫出粒子的運動軌跡，靈活選擇不同的運動規(guī)律動規(guī)律(1)當帶電粒子在復合場中做勻速直線運動時，當帶電粒子在復合場中做勻速直線運動時，根據(jù)受力平衡列方程求解根據(jù)受力平衡列方程求解(2)當帶電粒子在復合場中做勻速圓周運動時，當帶電粒子在復合場中做勻速圓周運動時，應用牛頓定律結合圓周運動規(guī)律求解應用牛頓定律結合圓周運動規(guī)律求解(3)當帶電粒子做復雜曲線運動時，一般用動能當帶電粒子做復雜曲線運動時，一般用動能定理或能量守恒定律求解定理或能量守恒定律求解(4)對于臨界問題，注意挖掘隱含條件對于臨界問題，注意挖掘隱含條件特別提醒：特別提醒：(1)電子、質子、電子、質子、粒子等一般不計粒子等一般不計重力，帶電小球、塵埃、液滴等帶電顆粒一般重力，帶電小球、塵埃、液滴等帶電顆粒一般要考慮重力的作用要考慮重力的作用(2)注意重力、電場力做功與路徑無關，洛倫茲注意重力、電場力做功與路徑無關，洛倫茲力始終和運動方向垂直、永不做功的特點力始終和運動方向垂直、永不做功的特點即時應用即時應用(即時突破，小試牛刀即時突破，小試牛刀)3(杭州高二檢測杭州高二檢測)一個帶電粒子以初速度一個帶電粒子以初速度v0垂垂直于電場方向向右射入勻強電場區(qū)域，穿出電場直于電場方向向右射入勻強電場區(qū)域，穿出電場后接著又進入勻強磁場區(qū)域設電場和磁場區(qū)域后接著又進入勻強磁場區(qū)域設電場和磁場區(qū)域有明確的分界線，且分界線與電場強度方向平行，有明確的分界線，且分界線與電場強度方向平行，如圖如圖358中的虛線表示在圖所示的幾種情中的虛線表示在圖所示的幾種情況中，可能出現(xiàn)的是況中，可能出現(xiàn)的是()圖圖358解析：解析：選選AD.A、C選項中粒子在電場中向下偏選項中粒子在電場中向下偏轉，所以粒子帶正電，再進入磁場后，轉，所以粒子帶正電，再進入磁場后，A圖中圖中粒子應逆時針轉，正確粒子應逆時針轉，正確C圖中粒子應順時針圖中粒子應順時針轉，錯誤同理可以判斷轉，錯誤同理可以判斷B錯，錯，D對對課堂互動講練課堂互動講練帶電粒子在有界磁場中的運動帶電粒子在有界磁場中的運動 如圖如圖359所示，一束電子所示，一束電子(電荷量為電荷量為e)以速度以速度v垂直射入磁感應強度為垂直射入磁感應強度為B、寬度為、寬度為d的勻的勻強磁場中，穿透磁場時速度方向與原來入射方向強磁場中，穿透磁場時速度方向與原來入射方向的夾角是的夾角是30，則電子的質量是，則電子的質量是_，穿透，穿透磁場的時間是磁場的時間是_圖圖359【思路點撥】【思路點撥】由于洛倫茲力總是垂直于速度由于洛倫茲力總是垂直于速度方向，若已知帶電粒子的任意兩個速度方向，方向，若已知帶電粒子的任意兩個速度方向，就可以通過作出兩速度的垂線，找出兩垂線的就可以通過作出兩速度的垂線，找出兩垂線的交點即為帶電粒子做圓周運動的圓心交點即為帶電粒子做圓周運動的圓心變式訓練變式訓練1如圖如圖3510所示，在圓形區(qū)域所示，在圓形區(qū)域里，有勻強磁場，方向如圖所示，有一束速率里，有勻強磁場，方向如圖所示，有一束速率各不相同的質子自各不相同的質子自A點沿半徑方向射入磁場，點沿半徑方向射入磁場，這些質子在磁場中這些質子在磁場中()A運動時間越長的，其軌跡所對應的圓心角運動時間越長的，其軌跡所對應的圓心角越大越大B運動時間越長的，其軌跡越長運動時間越長的，其軌跡越長C運動時間越短的，射出磁場時，速率越小運動時間越短的，射出磁場時，速率越小D運動時間越短的，射出磁場時，速度方向運動時間越短的，射出磁場時，速度方向偏轉越小偏轉越小圖圖3510對質譜儀的理解和應用對質譜儀的理解和應用 如圖如圖3511所示是測量帶電粒子質量的儀所示是測量帶電粒子質量的儀器的工作原理示意圖設法將某有機化合物的氣態(tài)器的工作原理示意圖設法將某有機化合物的氣態(tài)分子導入圖中所示的容器分子導入圖中所示的容器A中，使它受到電子束轟中，使它受到電子束轟擊，失去一個電子變成正一價的分子離子分子離擊，失去一個電子變成正一價的分子離子分子離子從狹縫子從狹縫S1以很小的速度進入電壓為以很小的速度進入電壓為U的加速電場的加速電場區(qū)區(qū)(初速不計初速不計)，加速后，再通過狹縫，加速后，再通過狹縫S2、S3射入磁感射入磁感應強度為應強度為B的勻強磁場，方向垂直于磁場區(qū)的界面的勻強磁場，方向垂直于磁場區(qū)的界面PQ.最后，分子離子打到感光片上，形成垂直于紙最后，分子離子打到感光片上，形成垂直于紙面而且平行于狹縫面而且平行于狹縫S3的細線若測得細線到狹縫的細線若測得細線到狹縫S3的距離為的距離為d，導出分子離子的質量，導出分子離子的質量m的表達式的表達式圖圖3511【思路點撥】【思路點撥】電場中粒子做加速運動，速電場中粒子做加速運動，速度選擇器則可以使通過度選擇器則可以使通過S3的粒子具有相同的的粒子具有相同的速度，磁場中帶電粒子做圓周運動，經半個速度，磁場中帶電粒子做圓周運動，經半個周期打到感光片上周期打到感光片上【規(guī)律總結】【規(guī)律總結】熟練掌握帶電粒子在電場熟練掌握帶電粒子在電場中加速和磁場中做勻速圓周運動的公式，中加速和磁場中做勻速圓周運動的公式，才能較好地解決題目才能較好地解決題目變式訓練變式訓練2如圖如圖3512為質譜儀的示意為質譜儀的示意圖速度選擇部分的勻強電場場強圖速度選擇部分的勻強電場場強E1.2105 V/m，勻強磁場的磁感應強度為，勻強磁場的磁感應強度為B10.6 T偏偏轉分離器的磁感應強度為轉分離器的磁感應強度為B20.8 T求：求：(1)能通過速度選擇器的粒子速度有多大？能通過速度選擇器的粒子速度有多大？(2)質子和氘核進入偏轉分離器后打在底片上的質子和氘核進入偏轉分離器后打在底片上的條紋之間的距離條紋之間的距離d為多少？為多少？圖圖3512答案：答案：(1)2105 m/s(2)5.2103 m回旋加速器的應用回旋加速器的應用 回旋加速器是用來加速帶電粒子使它獲得回旋加速器是用來加速帶電粒子使它獲得很大動能的儀器，其核心部分是兩個很大動能的儀器，其核心部分是兩個D形金屬盒，形金屬盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相連，以便在盒兩盒分別和一高頻交流電源兩極相連，以便在盒間的窄縫中形成勻強電場，使粒子每次穿過窄縫間的窄縫中形成勻強電場，使粒子每次穿過窄縫都得到加速，兩盒放在勻強磁場中，磁場方向垂都得到加速，兩盒放在勻強磁場中，磁場方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子源射出的粒子電荷量為源射出的粒子電荷量為q，質量為，質量為m，粒子最大回，粒子最大回旋半徑為旋半徑為Rm，其運動軌跡如圖，其運動軌跡如圖3513所示，問：所示，問：(1)盒中有無電場？盒中有無電場？(2)粒子在盒內做何種運動？粒子在盒內做何種運動？(3)所加交流電頻率應是多大，粒子角速度為多大？所加交流電頻率應是多大，粒子角速度為多大？(4)粒子離開加速器時速度是多大，最大動能為多粒子離開加速器時速度是多大，最大動能為多少？少？(5)設兩設兩D形盒間電場的電勢差為形盒間電場的電勢差為U，求加速到上述，求加速到上述能量所需的時間能量所需的時間(不計粒子在電場中運動的時間不計粒子在電場中運動的時間)圖圖3513【規(guī)律總結】【規(guī)律總結】求解此題應注意以下兩點：求解此題應注意以下兩點：(1)交流電的周期與粒子做圓周運動的周期相交流電的周期與粒子做圓周運動的周期相同回旋加速器才能正常工作同回旋加速器才能正常工作(2)根據(jù)勻速圓周運動知識求出粒子最大速度根據(jù)勻速圓周運動知識求出粒子最大速度的表達式，再據(jù)此判斷它與何物理量有關的表達式，再據(jù)此判斷它與何物理量有關變式訓練變式訓練3(吉林市高二檢測吉林市高二檢測)用回旋加速器用回旋加速器來加速質子，為了使質子獲得的動能增加為來加速質子，為了使質子獲得的動能增加為原來的原來的4倍，原則上可以采用下列哪幾種方法倍，原則上可以采用下列哪幾種方法()A將其磁感應強度增大為原來的將其磁感應強度增大為原來的2倍倍B將其磁感應強度增大為原來的將其磁感應強度增大為原來的4倍倍C將將D形盒的半徑增大為原來的形盒的半徑增大為原來的2倍倍D將將D形盒的半徑增大為原來的形盒的半徑增大為原來的4倍倍