高中物理 第三章 磁场《洛伦兹力的应用》参考课件 教科版选修31.ppt

第五节洛伦兹力的应用 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练 第五节洛伦兹力的应用 课前自主学案 课标定位学习目标 1 知道洛伦兹力只改变带电粒子速度方向 不改变其速度大小 2 知道质谱仪和回旋加速器的构造和原理 重点难点 质谱仪和回旋加速器的原理和应用 课前自主学案 b v0 图3 5 1 2 特点 只改变带电粒子的 不改变带电粒子的 二 质谱仪和回旋加速器1 质谱仪 1 原理图 如图3 5 2 图3 5 2 运动方向 速度大小 qu qvb 质量m 质量 同位素 2 回旋加速器 1 构造图 如图3 5 3 图3 5 3 回旋加速器的核心部件是两个 d形盒 不变 核心要点突破 一 质谱仪工作原理的理解质谱仪是利用电场和磁场控制电荷运动的精密仪器 它是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具 其结构如图3 5 4甲所示 容器a中含有电荷量相同而质量有微小差别的带电粒子 经过s1和s2之间的电场加速 它们进入磁场将沿着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条 叫做质谱线 每一条谱线对应于一定的质量 从谱线的位置可以知道圆周的半径 如果再已知带电粒子的电荷量 就可以算出它的质量 这种仪器叫做质谱仪 图3 5 4 即时应用 即时突破 小试牛刀 1 如图3 5 5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 图3 5 5 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外c 能通过狭缝p的带电粒子的速率等于e bd 粒子打在胶片上的位置越来越靠近狭缝p 粒子的荷质比越小 二 对回旋加速器的正确认识1 回旋加速器的原理回旋加速器的工作原理如图3 5 6所示 放在a0处的粒子源发出一个带正电的粒子 它以某一速率v0垂直进入匀强磁场中 在磁场中做匀速圆周运动 经过半个周期 当它沿着半圆a0a1时 我们在a1a1 处设置一个向上的电场 使这个带电粒子在a1a1 处受到一次电场的加速 速率由v0增加到v1 然后粒子以速率v1在磁场中做匀速圆周运动 图3 5 6 我们知道 粒子的轨道半径跟它的速率成正比 因而粒子将沿着增大了的圆周运动 又经过半个周期 当它沿着半圆弧a1 a2 到达a2 时 我们在a2 a2处设置一个向下的电场 使粒子又一次受到电场的加速 速率增加到v2 如此继续下去 每当粒子运动到a1a1 a3a3 等处时都使它受到一个向上电场的加速 每当粒子运动到a2 a2 a4 a4等处时都使它受到一个向下电场的加速 那么 粒子将沿着图示的螺旋线回旋下去 速率将一步一步地增大 特别提醒 由上式可以看出 要使粒子射出的动能ekm增大 就要使磁场的磁感应强度b以及d形盒的半径r增大 而与加速电压u的大小无关 u 0 即时应用 即时突破 小试牛刀 2 回旋加速器是加速带电粒子的装置 其核心部分是分别与高频交流电极相连接的两个d形金属盒 两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场 使粒子在通过狭缝时都能得到加速 两d形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中 如图3 5 7所示 要增大带电粒子射出时的动能 则下列说法中正确的是 图3 5 7 a 增大匀强电场间的加速电压b 增大磁场的磁感应强度c 减小狭缝间的距离d 增大d形金属盒的半径 三 带电粒子在复合场中运动的分析方法和思路1 弄清复合场的组成 一般有磁场 电场的复合 磁场 重力场的复合 磁场 电场 重力场三者的复合 2 正确进行受力分析 除重力 弹力 摩擦力外要特别注意静电力和磁场力的分析 3 确定带电粒子的运动状态 注意运动情况和受力情况的结合 4 对于粒子连续通过几个不同情况的场的问题 要分阶段进行处理 5 画出粒子的运动轨迹 灵活选择不同的运动规律 1 当带电粒子在复合场中做匀速直线运动时 根据受力平衡列方程求解 2 当带电粒子在复合场中做匀速圆周运动时 应用牛顿定律结合圆周运动规律求解 3 当带电粒子做复杂曲线运动时 一般用动能定理或能量守恒定律求解 4 对于临界问题 注意挖掘隐含条件 特别提醒 1 电子 质子 粒子等一般不计重力 带电小球 尘埃 液滴等带电颗粒一般要考虑重力的作用 2 注意重力 电场力做功与路径无关 洛伦兹力始终和运动方向垂直 永不做功的特点 即时应用 即时突破 小试牛刀 3 杭州高二检测 一个带电粒子以初速度v0垂直于电场方向向右射入匀强电场区域 穿出电场后接着又进入匀强磁场区域 设电场和磁场区域有明确的分界线 且分界线与电场强度方向平行 如图3 5 8中的虚线表示 在图所示的几种情况中 可能出现的是 图3 5 8 解析 选ad a c选项中粒子在电场中向下偏转 所以粒子带正电 再进入磁场后 a图中粒子应逆时针转 正确 c图中粒子应顺时针转 错误 同理可以判断b错 d对 课堂互动讲练 如图3 5 9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原来入射方向的夹角是30 则电子的质量是 穿透磁场的时间是 图3 5 9 思路点拨 由于洛伦兹力总是垂直于速度方向 若已知带电粒子的任意两个速度方向 就可以通过作出两速度的垂线 找出两垂线的交点即为带电粒子做圆周运动的圆心 变式训练1如图3 5 10所示 在圆形区域里 有匀强磁场 方向如图所示 有一束速率各不相同的质子自a点沿半径方向射入磁场 这些质子在磁场中 a 运动时间越长的 其轨迹所对应的圆心角越大b 运动时间越长的 其轨迹越长c 运动时间越短的 射出磁场时 速率越小d 运动时间越短的 射出磁场时 速度方向偏转越小 图3 5 10 如图3 5 11所示是测量带电粒子质量的仪器的工作原理示意图 设法将某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器a中 使它受到电子束轰击 失去一个电子变成正一价的分子离子 分子离子从狭缝s1以很小的速度进入电压为u的加速电场区 初速不计 加速后 再通过狭缝s2 s3射入磁感应强度为b的匀强磁场 方向垂直于磁场区的界面pq 最后 分子离子打到感光片上 形成垂直于纸面而且平行于狭缝s3的细线 若测得细线到狭缝s3的距离为d 导出分子离子的质量m的表达式 图3 5 11 思路点拨 电场中粒子做加速运动 速度选择器则可以使通过s3的粒子具有相同的速度 磁场中带电粒子做圆周运动 经半个周期打到感光片上 规律总结 熟练掌握带电粒子在电场中加速和磁场中做匀速圆周运动的公式 才能较好地解决题目 变式训练2如图3 5 12为质谱仪的示意图 速度选择部分的匀强电场场强e 1 2 105v m 匀强磁场的磁感应强度为b1 0 6t 偏转分离器的磁感应强度为b2 0 8t 求 1 能通过速度选择器的粒子速度有多大 2 质子和氘核进入偏转分离器后打在底片上的条纹之间的距离d为多少 图3 5 12 答案 1 2 105m s 2 5 2 10 3m 回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的仪器 其核心部分是两个d形金属盒 两盒分别和一高频交流电源两极相连 以便在盒间的窄缝中形成匀强电场 使粒子每次穿过窄缝都得到加速 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 若粒子源射出的粒子电荷量为q 质量为m 粒子最大回旋半径为rm 其运动轨迹如图3 5 13所示 问 1 盒中有无电场 2 粒子在盒内做何种运动 3 所加交流电频率应是多大 粒子角速度为多大 4 粒子离开加速器时速度是多大 最大动能为多少 5 设两d形盒间电场的电势差为u 求加速到上述能量所需的时间 不计粒子在电场中运动的时间 图3 5 13 规律总结 求解此题应注意以下两点 1 交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相同回旋加速器才能正