高中物理 第3章 第6节 洛伦兹力与现代技术同步备课课件 粤教版选修31.ppt

教师用书独具演示 课标要求1 知道洛伦兹力在技术中的应用 2 理解带电粒子在洛伦兹力作用下的运动 第六节洛伦兹力与现代技术 课标解读1 理解质谱仪 回旋加速器的工作原理 2 理解带电粒子在磁场做圆周运动规律 3 分析有关问题 教学地位高考在本节中常命制试题 本节是高考的热点 同时本节知识在高科技中有重要应用 新课导入建议回旋加速器是用来加速带电粒子的仪器 图教3 6 1中是劳伦斯和他的第一台回旋加速器 现在 回旋加速器已经在科研 医学等方面被广泛应用 它是根据带电粒子在磁场中做圆周运动的原理制成的 图教3 6 1 那么在洛伦兹力的作用下 带电粒子为什么会做圆周运动呢 带电粒子在磁场中运动的规律在生活和实践中还有哪些应用呢 我们今天就一起来研究带电粒子在匀强磁场中的运动规律 教学流程设计 课前预习安排 1 读教材2 填写 课前自主导学 步骤1 导入新课 分析本节教学地位 步骤2 教师提问 检查预习效果 步骤3 师生互动完成 探究1 互动方式 再补充一例题拓展思路 步骤4 教师讲解题目总结规律 步骤5 让学生完成 迁移应用 检查且点评 步骤6 完成 探究2 方式同上 步骤7 师生互动完成 探究3 方式 实例加分析 步骤8 完成 探究4 重在总结方法技巧 步骤9 让学生完成 当堂双基达标 验证学习效果 演示结束 步骤10 学生总结本节主要知识 教师点评布置课下完成 课后知能检测 1 基础知识 1 实验探究 装置是 它是一个特制的电子射线管 管内下方的电子枪射出的 可以使管内的 发出辉光 从而显示出电子的径迹 带电粒子在磁场中的运动 洛伦兹力演示仪 电子束 氢气 实验现象a 当没有磁场作用时 电子的运动轨迹是 b 当电子垂直射入磁场时 电子的运动轨迹是 c 结论 增大电子的速度时圆周半径 增强磁场磁感应强度时 圆周半径 直线 圆弧线 增大 减小 2 带电粒子在洛伦兹力作用下的圆周运动 运动性质 圆周运动 向心力 由 提供 半径公式 r 周期公式 t 匀速 洛伦兹力 2 思考判断 1 带电粒子仅在洛伦兹力作用下 一定做周期性运动 2 带电粒子仅在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动时 速度越大 周期越小 3 粒子在磁场中做匀速圆周运动时 速度越大 运转半径越大 3 探究交流在满足什么条件时 带电粒子在磁场中做匀速圆周运动 提示 当带电粒子满足以下三个条件时 在磁场中做匀速圆周运动 1 带电粒子的速度方向与磁场方向垂直 2 磁场为匀强磁场或粒子所经位置的磁感应强度方向始终与粒子速度方向垂直 且磁感应强度大小不变 3 带电粒子在磁场中只受洛伦兹力作用 或虽受其他力的作用 但除洛伦兹力以外的其他力的合力为0 1 基础知识 1 质谱仪 用途 研究物质的同位素 同位素是原子序数相同 不同的原子 原理图 如图3 6 1所示 洛伦兹力在现代技术中的应用 图3 6 1 原子质量 加速电场 qu 半个 测粒子质量的方法 通过测量落在底片上的不同粒子的 即可求出带电粒子的荷质比 若已知电量 可求得粒子的 质谱线 电荷量相同而质量有微小差别的粒子通过质谱仪打在照相底片的 底片上形成若干谱线状的细条 每一条谱线对应一定的质量 由此可准确地测出各种同位素的 意义 质谱仪是由汤姆生的学生阿斯顿发明的 他首先得到氖 20和氖 22的质谱线 证实了同位素的存在 半径 质量 不同位置 原子量 2 回旋加速器 主要构造 两个 两个大型电磁铁 原理图 如图3 6 2所示 图3 6 2 d形盒 工作原理 磁场的作用 带电粒子 磁场方向射入磁场时 受到磁场的洛伦兹力作用而做 运动 交变电压的作用 在两d形盒狭缝间产生 使带电粒子每经过一次狭缝加速一次 交变电压的周期 或频率 与带电粒子在磁场中做圆周运动的周期 或频率 用途 加速器是使带电粒子获得高能量的装置 是科学家探究物质奥秘的有力工具 垂直 匀速圆周 周期性变化 的电场 相同 2 思考判断 1 回旋加速器的加速电压越大 带电粒子获得的最大动能越大 2 利用回旋加速器加速带电粒子 要提高加速粒子的最终能量 应尽可能增大磁感应强度b和d形盒的半径r 3 带电粒子做匀速圆周运动的半径与带电粒子进入磁场时速度的大小有关 而周期与速度 半径都无关 3 探究交流回旋加速器所用交变电压的周期由什么决定 问题导思 1 带电粒子的运动轨迹由哪些因素决定 2 带电粒子在磁场中做圆周运动的圆心 半径及周期如何确定 带电粒子在匀强磁场中的运动 1 运动轨迹 1 匀速直线运动当带电粒子的速度方向与磁场平行时 不受洛伦兹力作用 带电粒子在磁场中做匀速直线运动 2 当带电粒子的速度方向与磁场垂直时 仅在洛伦兹力作用下带电粒子在磁场中做匀速圆周运动 2 带电粒子在磁场匀速圆周运动 1 周期及半径的确定 图3 6 3 2 圆心的确定 已知入射方向和出射方向时 可通过入射点和出射点分别作垂直于入射方向和出射方向的直线 两条直线的交点就是圆弧轨道的圆心 如图3 6 4 a 所示 图中p为入射点 m为出射点 已知入射方向和出射点的位置时 可以通过入射点作入射方向的垂线 连接入射点和出射点 作其中垂线 这两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心 如图3 6 4 b p为入射点 m为出射点 图3 6 4 3 圆心角的确定 带电粒子射出磁场的速度方向与射入磁场的速度方向间的夹角 叫偏向角 偏向角等于圆心角即 如图3 6 5 图3 6 5 某段圆弧所对应的圆心角是这段圆弧弦切角的二倍 即 2 1 带电粒子仅在洛伦兹力作用下运动时 速度大小不变 速度方向时刻改变 2 当带电粒子垂直匀强磁场进入时 洛伦兹力充当向心力 只改变速度方向 不改变速度大小 如图3 6 6所示 一束电子 电荷量为e 以速度v垂直射入磁感应强度为b 宽度为d的匀强磁场中 穿透磁场时速度方向与电子原来入射方向的夹角为30 则电子的质量是 穿透磁场的时间是 图3 6 6 带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的处理方法1 画轨迹 先定圆心 再画完整圆弧 后补画磁场边界 最后确定粒子在磁场中的轨迹 部分圆弧 2 找联系 r与b v有关 如果题目要求计算速率v 一般要先计算r t与角度和周期t有关 如果题目要求计算粒子在磁场中运动的时间t 一般要先计算粒子在磁场中运动的部分圆弧所对应的圆心角和粒子的周期 3 用规律 根据几何关系求半径和圆心角 再根据半径和周期公式与b v等联系在一起 1 已知氢核与氦核的质量之比m1 m2 1 4 电荷量之比q1 q2 1 2 当氢核与氦核以v1 v2 4 1的速度 垂直于磁场方向射入磁场后 分别做匀速圆周运动 则氢核与氦核半径之比r1 r2 周期之比t1 t2 答案 2 11 2 问题导思 1 带电粒子穿出有界磁场的条件是什么 2 如何确定粒子在有界磁场中运动的时间 带电粒子在有界匀强磁场中圆 周运动分析 1 穿出条件 刚好穿出磁场边界的条件是带电粒子在磁场中运动的轨迹与边界相切 2 运动时间当速度v一定时 弧长 或弦长 越长 圆心角越大 带电粒子在有界磁场中运动时间越长 3 几种常见的边界类型 1 若粒子垂直于磁场边界入射 且仍能从此边界出射 则出射时与此边界垂直 运动轨迹为半圆 图3 6 7 2 若粒子以与边界线夹角为 或 射入磁场且仍从此边界出射 则射出时与边界的夹角仍为 或 图3 6 8 3 若磁场为一圆形有界磁场 粒子以过圆心的速度方向垂直入射 则出磁场时速度方向的反向延长线必过圆心 图3 6 9 如图3 6 10所示 在y 0的区域内存在匀强磁场 磁场方向垂直于xoy平面并指向纸面外 磁感应强度为b 一带正电的粒子以速度v0从o点射入磁场 入射速度方向在xoy平面内 与x轴正方向的夹角为 若粒子射出磁场的位置与o点的距离为l 求该粒子电量与质量之比 图3 6 10 审题指导 1 粒子轨迹关于入射点和出射点连线的中垂线对称 2 运用几何关系列式 解析 根据带电粒子在有界磁场中运动的对称性 作出运动轨迹 如图所示 找出圆心a 向x轴作垂线 垂足为h 由几何关系得 2 2012 惠州一中高二检测 如图3 6 11所示 在半径为r的圆形区域内 有一个匀强磁场 一带电粒子以速度v0从m点沿半径方向射入磁场区 并由n点射出 o点为圆心 mon 120 求 带电粒子在磁场区的偏转半径r及在磁场区中的运动时间 图3 6 11 解析 首先应确定带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的圆心 具体方法是 过m和n点作圆形磁场区半径om和on的垂线 两垂线的交点o 即为带电粒子做圆周运动时圆弧轨道的圆心 如图所示 问题导思 带电粒子在速度选择器 质谱仪及回旋加速器中如何运动分别如何分析 洛伦兹力在现代技术中的应用 2 质谱仪质谱线 电荷量相同 而质量有微小差别的一群带电粒子 经过电场加速 进入磁场后将沿着不同半径做圆周运动 而打在照相底片上不同的地方 在底片上形成若干线状的细条 叫质谱线 3 速度选择器 1 原理 如图3 6 12所示 带电粒子所受重力可忽略不计 粒子在两板间同时受到电场力和洛伦兹力作用 只有当二力平衡时 粒子才不发生偏转 沿直线穿过两板间 图3 6 12 回旋加速器是用于加速带电粒子流 使之获得很大动能的仪器 其核心部分是两个d形金属扁盒 两盒分别和一高频交流电源两极相接 以便在盒间狭缝中形成匀强电场 使粒子每穿过狭缝都得到加速 两盒放在匀强磁场中 磁场方向垂直于盒底面 粒子源置于盒的圆心附近 若粒子源射出粒子电量为q 质量为m 粒子最大回旋半径为rm 其运动轨迹如图3 6 13所示 问 1 粒子在盒内做何种运动 2 粒子在两盒间狭缝内做何种运动 3 所加交变电压频率为多大 粒子运动角速度多大 4 粒子离开加速器时速度多大 5 设两d形盒间电场的电势差为u 盒间距离为d 求加速到上述能量所需时间 图3 6 13 解析 1 d形盒由金属导体制成 可屏蔽外电场 因而盒内无电场 盒内存在垂直盒面的磁场 故粒子在盒内磁场中做匀速圆周运动 2 两盒间狭缝内存在匀强电场 且粒子速度方向与电场方向在同条直线上 故粒子作匀加速直线运动 3 如图3 6 14是等离子体发电机示意图 平行金属板间匀强磁场的磁感应强度b 0 5t 两板间距离为20cm 要使输出电压为220v 则等离子体垂直射入磁场的速度v a是电源的 极 图3 6 14 答案 2200m s正 如图3 6 15所示的虚线区域内 充满垂直于纸面向里的匀强磁场和竖直向下的匀强电场 一带电粒子a 不计重力 以一定的初速度由左边界的o点射入磁场 电场区域 恰好沿直线由区域右边界的o 点 图中未标出 穿出 若撤去该区域内的磁场而保留电场不变 另一个同样的粒子b 不计重力 仍以相同初速度由o点射入 从区域右边界穿出 则粒子b 综合解题方略 带电粒子在复 合场中的综合分析 a 穿出位置一定在o 点下方b 穿出位置一定在o 点上方c 运动时 在电场中的电势能一定减小d 在电场中运动时 动能一定减小 图3 6 15 审题指导 解答此题应注意以下几点 1 由于不知带电粒子带电的正 负 故不能确定电场力和洛伦兹力的具体方向 2 粒子恰好做直线运动 说明电场力和洛伦兹力大小相等 方向相反 3 撤去磁场 只在电场力作用下偏转 可以根据电场力做功情况确定其能量转化情况 规范解答 粒子a沿直线运动 说明电场力与洛伦兹力等大反向 o o 在同一水平线上 但由于不能确定粒子a的带电性 去掉磁场后 不能确定电场力方向 也就不能确定b粒子向哪偏转 b到达右边界的位置不能确定 a b错 但b在偏转过程中 电场力一定对它做正功 其电势能减小 动能增加 c对 d错 答案 c 解决带电粒子在复合场中运动的问题有哪些方法1 带电粒子在复合场中处于静止或匀速直线运动状态时 带电粒子所受合力为零 应利用平衡条件列方程求解 2 带电粒子做匀速圆周运动时 重力和电场力平衡 洛伦兹力提供向心力 应利用平衡方程和向心力公式求解 3 当带电粒子在复合场中做非匀变速曲线运动时 带电粒子所受洛伦兹力必不为零 且其大小和方向不断变化 但洛伦兹力不做功 这类问题一般应用动能定理求解 备课资源 教师用书独具 1 如图教3 6 2所示 abcd是一个正方形的匀强磁场区域 甲 乙两种带电粒子分别从a d射入磁场 均从c点射出 已知甲 乙两种粒子荷质比的比为1 4 求 1 甲 乙的速率之比v甲 v乙 2 甲 乙通过该磁场所用的时间之比t甲 t乙 图教3 6 2 答案 1 1 2 2 2 1 2 如图教3 6 3为质谱仪原理示意图 电荷量为q 质量为m的带正电的粒子从静止开始经过电压为u的加速电场后进入粒子速度选择器 选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场 匀强电场的场强为e 方向水平向右 已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器 从g点垂直mn进入偏转磁场 该偏转磁场是一个以直线mn为边界 方向垂直纸面向外的匀强磁场 带电粒子经偏转磁场后 最终到达照相底片的h点 可测量出g h间的距离为l 带电粒子的重力可忽略不计 求 图教3 6 3 1 粒子从加速电场射出时速度v的大小 2 粒子速度选择器中匀强磁场的磁感应强度b1的大小和方向 3 偏转磁场的磁感应强度b2的大小 1 双选 一带正电的粒子以速度v0垂直飞入如图3 6 16所示的电场和磁场共存的区域 b e及v0三者方向如图所示 已知粒子在运动过程中所受的重力恰好与电场力平衡 则带电粒子在运动过程中 a 机械能守恒b 加速度始终不变c 动能始终不变d 电势能与机械能总和守恒 图3 6 16 解析 因为带电粒子所受的重力与电场力大小相等 电荷在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动 且洛伦兹力不做功 故动能不变 c正确 但是在电荷运动过程中 电势能