高考物理总复习 第十章 第5课 复合场中的STS题型探究课件.ppt

第二单元磁场对运动电荷的作用第5课复合场中的sts题型探究 第十章磁场 知能要求与高考展望 1 了解速度选择器 磁流体发电机 质谱仪 回旋加速器 霍尔效应 电磁流量计 电磁偏转技术等sts设备的原理 2 直接考查一般为选择题 课前自修 1 速度选择器 1 含义 如图所示 由于所受重力可忽略不计 运动方向相同而速率不同的正粒子组成的粒子束射入相互正交的匀强电场和匀强磁场所组成的场区中 已知电场强度大小为e 方向向下 磁感应强度大小为b 方向垂直纸面向里 若具有某一水平速度v的带电粒子能沿着图中所示的虚线穿过而不发生偏转 其他速度的带电粒子将发生偏转 这种器件就能把具有以上速度v的粒子选择出来 所以叫做速度选择器 2 射入速度必须适合的条件是 v 根据是 e b qvb qe 2 质谱仪 1 结构 带电粒子注入器 加速电场 速度选择器 b1 e 偏转磁场 b2 照相底片 2 含义 含有电荷相同而质量有微小差别的粒子 它们经过电势差为u的电场加速后 垂直进入磁感应强度为b的匀强磁场 它们进入磁场后将沿不同的半径做圆周运动 打到照相底片的不同地方 在底片上形成若干谱线状的细线 如图所示 m n线 每一条谱线对应于一定的 从谱线的位置可以知道圆周的半径 又已知带电粒子的电荷量q 可以算出带电粒子的 所以叫做质谱线 质量 质量 3 用途 质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具 4 原理 如上图所示 设有质量为m 电量为q的带负电粒子 不计重力 粒子从注入器进入加速电场的初速度为零 经过电势差为u的电场加速 进入磁感应强度为b1 电场强度为e的速度选择器 然后进入磁感应强度为b2的偏转磁场 沿着半圆周到达记录它的照相底片上 假设是m点 m点距离小孔o为x 则带电粒子的质量m 3 回旋加速器 1 构造 如图所示 粒子源 两个d型金属盒 巨大的电磁铁 高频电源 粒子引出装置 2 原理 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动 其周期t 跟运动 和轨道 无关 对一定的带电粒子和一定的磁感应强度来说 这个周期是恒定的 速率 半径 因此 尽管粒子的速率和半径一次比一次增大 运动周期却始终不变 这样 如果在两个d型盒间形成一个交变电场 使它也以相同的周期t往复变化 那就可以保证粒子每经过两个d型盒之间时都正好赶上适合的电场方向而被 加速 3 用途 回旋加速器是产生大量高能量 主要是动能 的带电粒子的实验设备 4 磁偏转技术 1 电视机的显像管中 电子束的偏转是用磁偏转技术实现的 下图就是电视机显像管的示意图 2 受力特征 在 磁偏转 中 质量为m 电荷为e的电子以速度v垂直射入磁感应强度为b的匀强磁场中时 所受的洛伦兹力fb evb与粒子的速度v有关 fb所产生的加速度使电子的速度方向发生变化 而速度方向的变化反过来又导致fb的方向变化 fb是变力 3 运动规律 在 磁偏转 中 变化的fb使电子做 运动 匀速圆周 重难突破 1 粒子通过速度选择器的条件 1 速度选择器只选择速度 与比荷无关 也与电性无关 如换负电荷从左端射入 只要速度适合 v e b 也一样可从右端选择出来 2 若从右端射入 而复合电磁场的方向没有相应改变 则无论速度是否适合v e b 都不能从左端选择出来 3 若正粒子的速度v v e b 则qv b qe 粒子向上偏转 若正粒子的速度v v e b 则qv b qe 粒子向下偏转 2 质谱仪公式的推导 1 关于m 的推导 在速度选择器中 由qvb1 qe 得v 在偏转磁场中 qvb2 m 由图知轨迹半径r 由以上三式可解得 m 题型探究 题型一 理解速度选择器与质谱仪 例1 2013 广州模拟 如图是质谱仪的工作原理示意图 带电粒子被加速电场加速后 进入速度选择器 速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为b和e 平板s上有可让粒子通过的狭缝p和记录粒子位置的胶片a1a2 平板s下方有强度为b0的匀强磁场 下列表述正确的是 a 质谱仪是分析同位素的重要工具b 速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里c 能通过狭缝p的带电粒子的速率等于d 粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝p 粒子的荷质比越小 解析 本题考查质谱仪的工作原理 意在考查考生分析带电粒子在电场 磁场中的受力和运动的能力 粒子先在电场中加速 进入速度选择器做匀速直线运动 最后进入磁场做匀速圆周运动 在速度选择器中受力平衡 qe qvb得v 方向由左手定则可知磁场方向垂直纸面向外 c选项正确 b选项错误 进入磁场后 洛伦兹力提供向心力 由qvb0 得 r 所以荷质比不同的粒子偏转半径不一样 所以 a项正确 d项错误 答案 ac 方法点窍 本题其实是速度选择器与质谱仪的组合体 通过利用力的平衡条件确立了通过速度选择器的速度公式 再通过洛伦兹力作为向心力确立了半径的公式 从而明确了速度选择器只能筛选速度 质谱仪再筛选比荷的道理 题型二 理解回旋加速器 例2 1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器 其原理如图所示 这台加速器由两个铜质d型盒d1 d2构成 其间留有空隙 下列说法中正确的是 a 离子由加速器的中心附近进入加速器b 离子由加速器的边缘进入加速器c 离子从磁场中获得能量d 离子从电场中获得能量 解析 离子由加速器的中心附近进入加速器 从电场中获取能量 最后从加速器边缘离开加速器 选项a d正确 答案 ad 方法点窍 本题要注意两点 一是离子到底是从哪里进入加速器的 这要查查书的说明 不然就会错选 二是离子获得的能量是靠电场加速得到的 因为磁场的洛伦兹力不做功 而这与离子离开加速器时的动能的最大值取决于d型盒的半径及磁感应强度是两回事 后者仅仅是理论计算中得到的辅助结论 前者是实质 题型三 电磁流量计 例3 如图所示是电磁流量计的原理图 横截面为长方形的一段管道 上 下两面是金属材料 前后两侧面是绝缘材料 长 宽 高分别为图中的a b c 流量计的两端与输送流体的管道连接 图中未画出 现垂直于前面加磁感应强度为b的匀强磁场 当从管的左侧向右侧流过带正电的液体时 上 下表面连接的理想电压表v测得电压为u 下列说法中正确的是 流量是指单位时间流过某横截面的体积 a 上表面电势高于下表面的b 上表面电势低于下表面的c 液体的流量为q d 液体的流量为q 方法点窍 本题要注意两点 一是用左手定则判断上下表面的电势高低时要注意流动的液体的电性 二是流量涉及某段时间内的体积计算 必须先计算液体流动的速度 利用v bc vt计算体积 题型四 理解磁偏转的应用 电视机显像管 例4 如图所示为电视机显像管及其偏转线圈l的示意图 如果发现电视画面的幅度比正常时偏小 可能的原因是 a 加速电场的电压过低b 加速电场的电压过高c 偏转线圈发生断路 没有磁场d 偏转线圈发生短路 磁场磁感应强度偏大 解析 首先了解一下物理模型 通过电源e1加热金属丝k 在k处发射出电子 再通过电源e2产生加速电场 对电子加速 根据动能定理 有 eu mv2 得离开电场时的速度为v 再垂直进入电磁铁l所产生的匀强磁场中 由右上图可知匀强磁场为上n下s 方法点窍 本题其实是加速电场与偏转磁场的组合题 加速电场中根据动能定理确定电子被加速获得的速度 偏转磁场要设偏转角 根据洛伦兹力作向心力定半径 根据几何知识定偏转角 随堂训练 如图所示 一块铜块左右两面接入电路中 有自由电子以速度v通过铜块而形成自左向右的电流i 当一磁感应强度为b的匀强磁场垂直前表面穿入铜块 从后表面垂直穿出时 在铜块上 下两面之间产生电势差 已知电子电量为e 铜块前 后两面间距为d 设自由电子做匀速运动时铜板上 下两面之间的电势差u 则 a 上表面比下表面的电势高b 上表面比下表面的电势低c u bidd u bvd 错解 错选a c 运用左手定则时没有注意运动电荷的对象是自由电子 不能运用洛伦兹力等于电场力来列式计算而错选c 解析 根据电流方向知电子运动方向向左 手