2019_2020学年高中物理第3章5洛伦兹力的应用教案教科版.docx

5洛伦兹力的应用学习目标1.知道带电粒子在磁场中的运动规律，理解应用磁场可以控制带电粒子的运动(重点、难点)2.知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题(难点)3.知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系(重点)一、利用磁场控制带电粒子运动1实例如图所示为一具有圆形边界、半径为r的匀强磁场，磁感应强度大小为B，一个初速度大小为v0的带电粒子(质量为m，电荷量为q)沿该磁场的直径方向从P点射入，在洛伦兹力作用下从Q点离开磁场(1)可以证明，该粒子离开磁场时速度方向的反向延长线必过圆心(2)设粒子离开磁场时的速度方向与进入磁场时相比偏转了角，则由图中几何关系可以看出tan可见，对于一定的带电粒子(m，q一定)，可以通过调节B和v0的大小来控制粒子的偏转角度.2特点利用磁场控制带电粒子的运动，只能改变粒子的运动方向而不能改变粒子的速度大小二、质谱仪1质谱仪的工作原理示意图(如图所示)2对质谱仪工作原理的理解(1)带电粒子进入加速电场(狭缝S1与S2之间)，满足动能定理：qUmv2(2)带电粒子进入速度选择器(P1和P2两平行金属板之间)，满足qEqvB1，v，带电粒子做匀速直线运动(3)带电粒子进入偏转磁场(磁感应强度为B2的匀强磁场区域)，偏转半径R.(4)带电粒子打到照相底片，可得比荷说明：速度选择器适用于正、负电荷速度选择器中的E、B1的方向具有确定的关系，仅改变其中一个方向，就不能对速度做出选择三、回旋加速器1原理图(如图所示)2回旋加速器的核心部分是D形盒3粒子每经过一次加速，其轨道半径就增大，粒子做圆周运动的周期不变4由qvB和Ekmv2得Ek，即粒子在回旋加速器中获得的最大动能与q、m、B、R有关，与加速电压无关1正误判断(正确的打“”，错误的打“”)(1)带电粒子在磁场中运动的偏转角等于运动轨迹圆弧所对应的圆心角的2倍()(2)带电粒子在磁场中偏转时，速度的方向改变而速度的大小不变()(3)速度选择器既可以选择粒子的速度，也可以选择粒子的电性()(4)应用质谱仪可以测定带电粒子的比荷()(5)回旋加速器两狭缝可以接直流电源()答案(1)(2)(3)(4)(5)2(多选)如图为一“速度选择器”装置的示意图a、b为水平放置的平行金属板，一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔O进入a、b两板之间为了选取具有某种特定速率的电子，可在a、b间加上电压，并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场，使所选电子仍能够沿水平直线OO运动，由O射出，不计重力作用可能达到上述目的的办法是 ()A使a板电势高于b板，磁场方向垂直纸面向里B使a板电势低于b板，磁场方向垂直纸面向里C使a板电势高于b板，磁场方向垂直纸面向外D使a板电势低于b板，磁场方向垂直纸面向外AD要使电子沿直线OO运动，则电子在竖直方向所受电场力和洛伦兹力平衡，若a板电势高于b板，则电子所受电场力方向竖直向上，其所受洛伦兹力方向必向下，由左手定则可判定磁场方向垂直纸面向里故A项正确同理可判断D项正确3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()A增大匀强电场间的加速电压B减小磁场的磁感应强度C减小周期性变化的电场的频率D增大D形金属盒的半径D粒子最后射出时的旋转半径为D形盒的最大半径R，R，Ekmv2.可见，要增大粒子射出时的动能，应增大磁感应强度B和增大D形盒的半径R，故D正确利用磁场控制带电粒子的运动电偏转和磁偏转的对比匀强电场中偏转匀强磁场中偏转偏转条件垂直电场线进入匀强电场(不计重力)垂直磁感线进入匀强磁场(不计重力)受力情况电场力FEq大小、方向都不变洛伦兹力F洛qvB的大小不变，方向随v的方向的改变而改变运动类型类平抛运动匀速圆周运动或其一部分运动轨迹抛物线圆或圆的一部分运动轨迹图求解方法处理偏移y和偏转角要通过类平抛运动的规律求解偏转y和偏转角要结合圆的几何关系通过对圆周运动的讨论求解动能变化动能增大动能不变【例1】有一平行板电容器，内部为真空，两个极板的间距为d，极板长为L，极板间有一匀强电场，U为两极板间的电压，电子从极板左端的正中央以初速度v0射入，其方向平行于极板，并打在极板边缘的D点，如图甲所示电子的电荷量用e表示，质量用m表示，重力不计回答下面问题(用字母表示结果)(1)求电子打到D点的动能；(2)电子的初速度v0必须大于何值，电子才能飞出极板；(3)若极板间没有电场，只有垂直纸面的匀强磁场，磁感应强度大小为B，电子从极板左端的正中央以平行于极板的初速度v0射入，如图乙所示，则电子的初速度v0为何值时，电子才能飞出极板？思路点拨：电子在板间运动时只有电场力做功电子要飞出极板，其偏转位移y必须满足y.(3)在只有磁场情况下电子要飞出两极板，有两种情况.电子从左边出，做半圆周运动，其半径R1由洛伦兹力和向心力公式可得ev1Bm由式解得v1因此电子飞出极板的条件是v1.电子从右边出，做部分圆周运动其半径RL2由式解得R2由洛伦兹力和向心力公式可得ev2Bm由式解得v2电子飞出极板的条件是v2.答案(1)(Uemv)(2)(3)v0或v0(1)对于带电粒子在匀强电场中做类平抛运动问题，一般从分析沿电场方向的匀加速直线运动和垂直于电场方向的匀速直线运动来解决问题(2)对于带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动问题，一般要分析运动轨迹、找圆心、求半径，分析圆心角，列相关方程解决问题训练角度1带电粒子在直线边界磁场中的运动1如图所示，在宽l的范围内有方向如图的匀强电场，场强为E，一带电粒子以速度v垂直于电场方向、也垂直于场区边界射入电场，不计重力，射出场区时，粒子速度方向偏转了角，去掉电场，改换成方向垂直纸面向外的匀强磁场，此粒子若原样射入磁场，它从场区的另一侧射出时，也偏转了角，求此磁场的磁感应强度B的大小解析粒子在电场中做类平抛运动，则运行的时间t；加速度a，则tan 粒子在磁场中做匀速圆周运动，有Bvqm由图示几何关系，知sin 联立以上各式，得B.答案训练角度2带电粒子在圆形有界磁场中的运动2一圆筒处于磁感应强度大小为B的匀强磁场中，磁场方向与筒的轴平行，筒的横截面如图所示图中直径MN的两端分别开有小孔，筒绕其中心轴以角速度顺时针转动在该截面内，一带电粒子从小孔M射入筒内，射入时的运动方向与MN成30角当筒转过90时，该粒子恰好从小孔N飞出圆筒不计粒子的重力若粒子在筒内未与筒壁发生碰撞，则带电粒子的比荷为()AB C DA定圆心、画轨迹，由几何关系可知，此段圆弧所对圆心角30，所需时间tT；由题意可知粒子由M飞至N与圆筒旋转90所用时间相等，即t，联立以上两式得，A项正确对质谱仪工作原理的理解1速度选择器只选择粒子的速度(大小和方向)而不选择粒子的质量、电荷量和电性2从S1与S2之间得以加速的粒子的电性是固定的，因此进入偏转磁场空间的粒子的电性也是固定的3打在底片上同一位置的粒子，只能判断其是相同的，不能确定其质量或电量一定相同【例2】如图所示为某种质谱仪的结构示意图其中加速电场的电压为U，静电分析器中与圆心O1等距各点的电场强度大小相同，方向沿径向指向圆心O1；磁分析器中在以O2为圆心、圆心角为90的扇形区域内，分布着方向垂直于纸面的匀强磁场，其左边界与静电分析器的右边界平行由离子源发出一质量为m、电荷量为q的正离子(初速度为零，重力不计)，经加速电场加速后，从M点沿垂直于该点的场强方向进入静电分析器，在静电分析器中，离子沿半径为R的四分之一圆弧轨迹做匀速圆周运动，并从N点射出静电分析器而后离子由P点沿着既垂直于磁分析器的左边界又垂直于磁场的方向射入磁分析器中，最后离子沿垂直于磁分析器下边界的方向从Q点射出，并进入收集器测量出Q点与圆心O2的距离为d.(1)试求静电分析器中离子运动轨迹处电场强度E的大小；(2)试求磁分析器中磁场的磁感应强度B的大小和方向思路点拨：解答本题时应注意以下两点：在静电分析器中，电场力提供离子做圆周运动的向心力在磁分析器中，洛伦兹力提供离子做圆周运动的向心力解析设离子进入静电分析器时的速度为v，离子在加速电场中加速的过程中，由动能定理得：qUmv2(1)离子在静电分析器中做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律有：qEm联立两式，解得：E(2)离子在磁分析器中做匀速圆周运动，由牛顿第二定律有：qvBm由题意可知，圆周运动的轨道半径为：rd联立式，解得：B由左手定则判断，磁场方向垂直纸面向外答案(1)(2)方向垂直纸面向外质谱仪的原理中包括粒子的加速、受力的平衡(速度选择器)、牛顿第二定律和匀速圆周运动等知识，分析粒子的运动过程，建立各运动阶段的模型、理清各运动阶段之间的联系，是解决此类问题的关键1922年英国物理学家和化学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究荣获了诺贝尔化学奖若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列相关说法中正确的是 ()A该束带电粒子带负电B速度选择器的P1极板带负电C在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小D在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大C带电粒子在磁场中向下偏转，磁场的方向垂直纸面向外，根据左手定则知，该粒子带正电，故选项A错误在平行金属板间，根据左手定则知，带电粒子所受的洛伦兹力方向竖直向上，则电场力的方向竖直向下，知电场强度的方向竖直向下，所以速度选择器的P1极板带正电，故选项B错误进入B2磁场中的粒子速度是一定的，根据qvB得r，知r越大，比荷越小，而质量m不一定大故选项C正确，选项D错误故选C.对回旋加速器工作原理的理解如图所示，回旋加速器的核心部分是两个D形金属盒，两盒之间留下一个窄缝，在中心附近放有粒子源，D形盒在真空容器中，整个装置放在巨大的匀强磁场中，并把两个D形盒分别接在高频电源的两极上，其工作原理：(1)电场加速：qUEk；(2)磁场的约束偏转：qvBm，rv；(3)加速条件：高频电源的周期与带电粒子在D形盒中运动的周期相同，即T电场T回旋.【例3】回旋加速器的两个D形金属盒间有匀强电场，使粒子每次穿过狭缝时都得到加速，将两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，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，粒子最大的回旋半径为Rmax.求：(1)粒子在盒内做何种运动；(2)所加交变电流的频率及粒子角速度；(3)粒子离开加速器时的最大速度及最大动能解析(1)带电粒子在盒内做匀速圆周运动，每次加速之后半径变大(2)粒子在电场中运动时间极短，因此高频交变电流频率要等于粒子回旋频率，因为T，所以回旋频率f，角速度2f.(3)由牛顿第二定律知qBvmax则Rmax，vmax最大动能Ekmaxmv.答案(1)匀速圆周运动(2)(3)回旋加速器中的五个基本问题(1)同步问题交变电压的频率与粒子在磁场中做匀速圆周运动的频率相等，交变电压的频率f(当粒子的比荷或磁感应强度改变时，同时也要调节交变电压的频率)(2)带电粒子的最终能量由r知，当带电粒子的运动半径最大时，其速度也最大，若D形盒半径为R，则带电粒子的最终动能Ekm.可见，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能地增大磁感应强度B和D形盒的半径R.(3)粒子在磁场中转的圈数和被加速次数的计算设粒子在磁场共转n圈，则在电场中加速2n次，则有2nqUEkm，n，加速次数N2n.(4)粒子在回旋加速器中运动的时间在电场中运动的时间为t1，在磁场中运动的时间为t2nT，总时间为tt1t2，因为t1t2，一般认为在盒内的时间近似等于t2.(5)回旋轨道半径rn，nqUmv，n为加速次数(多选)如图所示，回旋加速器D形盒的半径为R，用来加速质量为m，电量为q的质子，质子每次经过电场区时，都恰好在电压为U时被加速，且电场可视为匀强电场，使质子由静止加速到能量为E后，由A孔射出下列说法正确的是()AD形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，质子的能量E将越大B磁感应强度B不变，若加速电压U不变，D形盒半径R越大，质子的能量E将越大CD形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，质子在加速器中的运动时间将越长DD形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，质子在加速器中的运动时间将越短BD由qvBm得，v，则最大动能Ekmv2，知最大动能与加速器的半径、磁感应强度以及电荷的电量和质量有关，与加速电压无关，故A错误，B正确；由动能定理得：EkqU，加速电压越大，每次获得的动能越大，而最终的最大动能与加速电压无关，是一定的，故加速电压越大，加速次数越少，加速时间越短，故C错误，D正确；故选BD.课 堂 小 结知 识 脉 络2个应用质谱仪和回旋加速器1处于匀强磁场中的一个带电粒子，仅在磁场力作用下做匀速圆周运动将该粒子的运动等效为环形电流，那么此电流值()A与粒子电荷量成正比 B与粒子速率成正比C与粒子质量成正比D与磁感应强度成正比D带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期T，该粒子运动等效的环形电流I，由此可知，Iq2，选项A错误；I与速率无关，选项B错误；I，即I与m成反比，选项C错误；IB，选项D正确2(多选)质谱仪的构造原理如图所示从粒子源S出来时的粒子速度很小，可以看作初速度为零，粒子经过电场加速后进入有界的垂直纸面向里的匀强磁场区域，并沿着半圆周运动而到达照相底片上的P点，测得P点到入口的距离为x，则以下说法正确的是 ()A粒子一定带正电B粒子一定带负电Cx越大，则粒子的质量与电量之比一定越大Dx越大，则粒子的质量与电量之比一定越小AC根据粒子的运动方向和洛伦兹力方向，根据左手定则，知粒子带正电故A正确，B错误；根据半径公式r知，x2r，又qUmv2，联立解得x，知x越大，质量与电量的比值越大故C正确，D错误3(多选)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形盒D1、D2构成，其间留有空隙下列说法正确的是()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AD本题源于课本而又高于课本，既考查考生对回旋加速器的结构及工作原理的掌握情况，又能综合考查磁场和电场对带电粒子的作用规律由R知，随着被加速离子的速度增大，离子在磁场中做圆周运动的轨道半径逐渐增大，所以离子必须由加速器中心附近进入加速器，A项正确，B项错误；离