高中物理 3.6 洛伦兹力与现代技术课件 粤教版选修31.ppt

目标导航 预习导引 目标导航 预习导引 一 二 三 一 带电粒子在磁场中的运动1 电子的质量很小 我们往往忽略重力对电子的影响 当电子所处的空间无电场和磁场时 电子做直线运动 当电子运动速度方向与磁场垂直时 电子做匀速圆周运动 2 当带电粒子在磁场中仅受洛伦兹力作用时 由于洛伦兹力始终与运动方向垂直 故带电粒子做匀速圆周运动 已知电荷量为q的带电粒子 以速度大小为v垂直于磁场方向进入磁感应强度为b的匀强磁场中 其运动轨道半径为 目标导航 预习导引 一 二 三 二 质谱仪1 原理如图所示 2 带电粒子进入质谱仪的加速电场 由动能定理 3 带电粒子进入质谱仪的偏转磁场 洛伦兹力提供向心力 目标导航 预习导引 一 二 三 三 回旋加速器1 原理如图所示 2 如图所示 回旋加速器的核心部件是两个d形盒 3 粒子每经过一次加速 其轨道半径就增加一次 目标导航 预习导引 一 二 三 回旋加速器两端所加的交流电压的周期由什么决定 答案 为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速 使之能量不断提高 交流电压的周期必须等于带电粒子在回旋加速器中做匀速圆周运动的周期即 因此 交流电压的周期由带电粒子的质量m 带电荷量q和加速器中的磁场的磁感应强度b来决定 知识精要 典题例解 迁移应用 一 二 三 一 带电粒子在匀强磁场中的运动1 当v平行于b时 f 0 粒子做匀速直线运动 2 当v垂直于b时 洛伦兹力f起向心力的作用 粒子将做匀速圆周运动 如图所示 粒子运动的轨道半径r和周期t 知识精要 一 二 三 3 带电粒子做圆周运动的半径与磁感应强度b 粒子质量m 电荷量q及运动速率有关 4 带电粒子做圆周运动的周期只与磁感应强度b 粒子质量m 电荷量q的大小有关 与粒子的半径及运动速率无关 5 带电粒子做匀速圆周运动的圆心 半径及运动时间的确定 1 圆周运动轨道半径的确定几何轨道半径的求解 作入射点 出射点对应的半径 作出相应三角形 根据边角关系或边边关系 求解出半径的大小 2 圆周运动的轨道圆心确定的基本思路 圆心一定在与速度方向垂直的直线上 如图甲 圆心一定在入射点与出射点的中垂线上 如图乙 典题例解 迁移应用 知识精要 一 二 三 甲 乙 3 带电粒子运动时间的确定粒子在磁场中运动一周的时间为t 当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为 时 其运动时间可由下式表示 4 粒子在磁场中运动的速度为v 轨道半径为r 粒子运动的圆弧所对应的圆心角为 时 其运动时间t 可由求解 典题例解 迁移应用 一 二 三 知识精要 典题例解 迁移应用 例1 2015全国理综 两相邻匀强磁场区域的磁感应强度大小不同 方向平行 一速度方向与磁感应强度方向垂直的带电粒子 不计重力 从较强磁场区域进入到较弱磁场区域后 粒子的 导学号51120103 a 轨道半径减小 角速度增大b 轨道半径减小 角速度减小c 轨道半径增大 角速度增大d 轨道半径增大 角速度减小 答案 d 一 二 三 知识精要 典题例解 迁移应用 一 二 三 知识精要 典题例解 迁移应用 1 2015全国理综 多选 有两个匀强磁场区域 和 中的磁感应强度是 中的k倍 两个速率相同的电子分别在两磁场区域做圆周运动 与 中运动的电子相比 中的电子 导学号51120104 a 运动轨迹的半径是 中的k倍b 加速度的大小是 中的k倍c 做圆周运动的周期是 中的k倍d 做圆周运动的角速度与 中的相等 答案 ac 一 二 三 知识精要 典题例解 迁移应用 2 2014课标全国 如图所示 mn为铝质薄平板 铝板上方和下方分别有垂直于图平面的匀强磁场 未画出 一带电粒子从紧贴铝板上表面的p点垂直于铝板向上射出 从q点穿越铝板后到达pq的中点o 已知粒子穿越铝板时 其动能损失一半 速度方向和电荷量不变 不计重力 铝板上方和下方的磁感应强度大小之比为 导学号51120105 答案 d 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 二 质谱仪1 质谱仪主要用于分析同位素 测定其质量 比荷 4 粒子在磁场中的运动轨迹是半圆 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 什么是同位素 答案 同位素是原子序数相同 原子质量不同的原子 由于同位素的化学性质相同 不能用化学方法加以区分 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 例2 如图所示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 匀强电场的电场强度为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 导学号51120106 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 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 思路分析 解答本题应把握以下三点 1 用动能定理求粒子速度v 2 速度选择器中粒子受力平衡 3 用半径公式求b2的大小 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 多选 如图所示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 导学号51120107 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的带电粒子的速率大于d 离子打在胶片上的位置越靠近狭缝p 粒子的比荷越小 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 答案 ab 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 三 回旋加速器回旋加速器的核心部分是两个d形的金属扁盒 两盒之间留有一个窄缝 在中心附近有粒子源 d形盒处在真空容器中 整个装置放在巨大电磁铁产生的匀强磁场中 并把两个d形盒分别接在高频电源两极上 其工作原理 3 加速条件 加速电场的周期必须等于回旋周期 4 带电粒子的最终能量 粒子做匀速圆周运动的最大半径等于d形盒的半径 所以带电粒子的最大动能只与d形盒的半径r和磁感应强度b有关 与加速电压无关 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 在现代科学研究中 常常需要探究物质的微观结构 要用能量很高的带电粒子去轰击各种原子核 必须用各种各样的加速器产生出速度很大的高能粒子 位于法国和瑞士边界的欧洲核子研究所的粒子加速器周长达27km 如图中大圆 为什么加速器需要那么大的周长呢 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 例3 2015浙江理综 使用回旋加速器的实验需要把离子束从加速器中引出 离子束引出的方法有磁屏蔽通道法和静电偏转法等 质量为m 速度为v的离子在回旋加速器内旋转 旋转轨道是半径为r的圆 圆心在o点 轨道在垂直纸面向外的匀强磁场中 磁感应强度为b 为引出离子束 使用磁屏蔽通道法设计引出器 引出器原理如图所示 一对圆弧形金属板组成弧形引出通道 通道的圆心位于o 点 o 点图中未画出 引出离子时 令引出通道内磁场的磁感应强度降低 从而使离子从p点进入通道 沿通道中心线从q点射出 已知oq长度为l oq与op的夹角为 导学号51120108 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 1 求离子的电荷量q并判断其正负 2 离子从p点进入 q点射出 通道内匀强磁场的磁感应强度应降为b 求b 3 换用静电偏转法引出离子束 维持通道内的原有磁感应强度b不变 在内外金属板间加直流电压 两板间产生径向电场 忽略边缘效应 为使离子仍从p点进入 q点射出 求通道内引出轨迹处电场强度e的方向和大小 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 1 多选 如图所示 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 要增大带电粒子射出时的动能 则下列说法中正确的是 导学号51120109 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 增加周期性变化的电场的频率d 增大d形金属盒的半径 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 答案 bd 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 2 回旋加速器d形盒中央为质子流 d形盒的交流电压为u 2 104v 静止质子经电场加速后 进入d形盒 其最大轨道半径r 1m 磁场的磁感应强度b 0 5t 质子的质量为1 67 10 27kg 问 1 质子最初进入d形盒的动能多大 2 质子经回旋加速器最后得到的动能多大 3 交流电源的频率是多少 导学号51120110 答案 1 3 2 10 15j 2 1 92 10 12j 3 7 6 106hz 一 二 三 知识精要 思考探究 典题例解 迁移应用 解析 1 粒子在电场中加速 根据动能定理得qu ek 0 ek qu 2 104ev 3 2 10 15j 2 粒子在回旋加速器的磁场中 绕行的最大半径为r 知识链接 案例探究 类题试解 带电粒子在复合场中的运动问题1 复合场的分类 1 叠加场 电场 磁场 重力场共存 或其中某两场共存 2 组合场 电场与磁场各位于一定的区域内 并不重叠或相邻或在同一区域 电场 磁场不同时出现 知识链接 案例探究 类题试解 2 三种场的比较 知识链接 案例探究 类题试解 2014广东理综 如图所示 足够大的平行挡板a1 a2竖直放置 间距6l 两板间存在两个方向相反的匀强磁场区域 和 以水平面mn为理想分界面 区的磁感应强度为b0 方向垂直纸面向外 a1 a2上各有位置正对的小孔s1 s2 两孔与分界面mn的距离均为l 质量为m 电荷量为 q的粒子经宽度为d的匀强电场由静止加速后 沿水平方向从s1进入 区 并直接偏转到mn上的p点 再进入 区 p点与a1板的距离是l的k倍 不计重力 碰到挡板的粒子不予考虑 导学号51120111 知识链接 案例探究 类题试解 1 若k 1 求匀强电场的电场强度e 2 若2 k 3 且粒子沿水平方向从s2射出 求出粒子在磁场中的速度大小v与k的关系式和 区的磁感应强度b与k的关系式 思路分析 1 若k 1 粒子在磁场区 的运动轨迹为圆弧 粒子轨道半径r0 l 由此可求出粒子在磁场中运动的速度 再结合动能定理可求出匀强电场电场强度e 2 若2 k 3 且粒子沿水平方向从s2射出 这种情况下推理其运动轨迹可知 粒子从 区进入 区 在 区偏转后再进入 区 最终沿水平方向到达小孔s2 画出粒子全过程运动轨迹 由几何关系可求出粒子在磁场区 中运动的轨道半径r1 r2 由r1和粒子在磁场中运动规律可求出粒子速度v 再结合 区轨迹半径r2可求出 区磁感应强度b与k的关系 知识链接 案例探究 类题试解 解析 1 当k 1时 设粒子在 区中做圆周运动的轨道半径为r0 在磁场中的速度大小为v0 由几何关系得r0 l 洛伦兹力提供向心力 知识链接 案例探究 类题试解 2 当2 k 3时 粒子在 磁场区域中必须有且只有1个圆弧轨迹 才能保证粒子从s2出射 设 空间的圆弧轨迹半径分别为r和r 如图所示 知识链接 案例探究 类题试解 知识链接 案例探究 类题试解 知识链接 案例探究 类题试解 知识链接 案例探究 类题试解 知识链接 案例探究 类题试解 知识链接 案例探究 类题试解 知识链接 案例探究 类题试解 在如图所示的真空环境中 匀强磁场方向水平且垂直纸面向外 磁感应强度b 2 5t 匀强电场方向水平向左 电场强度e n