高中物理 3.6 洛伦兹力与现代技术课件 粤教版选修31.ppt

第六节洛伦兹力与现代技术 第三章磁场 学习目标1 理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时 粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动 会推导圆周运动的半径 周期公式 2 知道质谱仪的工作原理 3 知道回旋加速器的工作原理 第三章磁场 一 带电粒子在磁场中的运动1 实验探究 1 洛伦兹力演示仪 玻璃管内的电子枪 即阴极 发射出 使管内的氢气发生辉光 这样就可显示出 的轨迹 2 实验现象 当没有磁场作用时 电子的运动轨迹是 当电子垂直射入磁场时 电子的运动轨迹是 2 实验结论实验表明 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 电子束 电子 直线 圆周 增大 减小 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 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 r mv qb 周期为t 垂直 2 m qb qu 半个 半径 质量 原子量 同位素 2 回旋加速器 1 加速器是使带电粒子获得高能量的装置 1930年美国 制成了世界上第一台回旋加速器 2 构造和原理 构造图 如图所示 原理 如果交流电源的周期正好与离子运动的周期 离子在每次通过间隙时都会被加速 随着速度的增加 离子做圆周运动的半径也将逐步加大 当达到预期的速率时 用静电偏转板将高能离子引出d形盒 用于科学研究 劳伦斯 相同 1 带电粒子在同一匀强磁场中做匀速圆周运动 若两带电粒子的v q相同而r不同 则带电粒子的质量一定不相同吗 提示 一定不同 2 质谱仪能分析带负电的粒子吗 提示 能 3 回旋加速器的加速电压增大时粒子获得的最大动能是否增大 提示 不增大 带电粒子在匀强磁场中的运动 特别提醒 1 式表明在匀强磁场中做匀速圆周运动的带电粒子 它的轨道半径r跟粒子的运动速率成正比 同时表明r与粒子的质量和电荷量的比 m q 成正比 2 式表明带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期与轨道半径和运动速率无关 只由质量和电荷量的比 m q 及磁感应强度 b 确定 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 则氢核与氦核运动半径之比r1 r2 周期之比t1 t2 若它们以相同的动能射入磁场 其圆周运动半径之比r1 r2 周期之比t1 t2 思路点拨 解答本题的关键要明确以下两点 1 明确半径公式和周期公式的表达形式 2 粒子运动周期与运动速度无关 2 1 1 2 1 1 1 2 1 单选 质量和电荷量都相等的带电粒子m和n 以不同的速率经小孔s垂直进入匀强磁场 运行的半圆轨迹如图中虚线所示 下列表述正确的是 a m带负电 n带正电b m的速率小于n的速率c 洛伦兹力对m n做正功d m的运行时间大于n的运行时间 a 1 回旋加速器的工作原理 如图所示 设离子源中放出的是带正电的粒子 带正电的粒子以一定的初速度v0进入下方d形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动 运行半周后回到窄缝的边缘 这时在a1 a1 间加一向上的电场 粒子将在电场作用下被加速 速率由v0变为v1 然后粒子在上方d形盒的匀强磁场中做圆周运动 经过半个周期后到达窄缝的边缘a2 这时在a2 a2 间加一向下的电场 使粒子又一次得到加速 速率变为v2 这样使带电粒子每通过窄缝时被加速 又通过盒内磁场的作用使粒子回旋到窄缝 通过反复加速使粒子达到很高的能量 回旋加速器的原理 特别提醒 1 洛伦兹力永远不做功 磁场的作用是让带电粒子 转圈圈 电场的作用是加速带电粒子 2 回旋加速器的工作条件是交流电源的频率等于带电粒子在d形盒中做圆周运动的频率 只有这样才能保证粒子每次过窄缝时均为加速电压 10分 回旋加速器是用来加速一群带电粒子使它们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 以使在盒间的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 磁感应强度为b 磁场方向垂直于盒底面 离子源置于盒的圆心附近 若离子源射出的离子电荷量为q 质量为m 离子最大回旋半径为r 其运动轨迹如图所示 问 1 盒内有无电场 离子在盒内做何种运动 2 离子在两盒狭缝内做何种运动 3 所加交流电频率应是多大 4 离子离开加速器时速度为多大 最大动能为多少 思路点拨 解答本题时应把握以下三点 1 回旋加速器的构造及工作原理 2 回旋加速器的工作条件 3 带电粒子在电场中的加速时间相对于在磁场中做圆周运动的时间可忽略不计 2 单选 回旋加速器是用来加速带电粒子的装置 如图所示 如果用同一回旋加速器分别加速氚核 h 和 粒子 he 比较它们所加的高频交流电源的周期和获得的最大动能的大小 有 a 加速氚核的交流电源的周期较大 氚核获得的最大动能也较大b 加速氚核的交流电源的周期较大 氚核获得的最大动能较小c 加速氚核的交流电源的周期较小 氚核获得的最大动能较大d 加速氚核的交流电源的周期较小 氚核获得的最大动能较小 b 有关质谱仪问题的分析 范例 双选 质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具 它的构造原理如图所示 离子源s产生的各种不同正离子束 速度可看做为零 经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场 到达记录它的照相底片p上 设离子在p上的位置到入口处s1的距离为x 可以判断 a 若离子束是同位素 则x越大 离子质量越大b 若离子束是同位素 则x越大 离子质量越小c 只要x相同 则离子质量一定相同d 只要x相同 则离子的荷质比一定相同 ad 思路点拨 解答此问题需把握以下两点 1 明确电场力做功的特点