高中物理第三章磁场第6讲洛伦兹力的应用省公开课一等奖新课获奖课件

第6讲洛伦兹力应用第三章磁场1/321.知道利用磁场控制带电粒子偏转.2.掌握带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动规律和分析方法.3.了解质谱仪、盘旋加速器结构和原理.目标定位2/32二、质谱议三、盘旋加速器对点检测自查自纠栏目索引一、利用磁场控制带电粒子运动3/32答案一、利用磁场控制带电粒子运动知识梳理图1(二)控制特点：只改变带电粒子

，不改变带电粒子

.运动方向速度大小4/32(三)带电粒子在有界磁场中运动处理方法1.“一找圆心，二求半径，三定时间”方法.(1)圆心确实定方法：两线定一“心”①圆心一定在垂直于速度直线上.如图2甲所表示，已知入射点P(或出射点M)速度方向，可经过入射点和出射点作速度垂线，两条直线交点就是圆心.②圆心一定在弦中垂线上.如图乙所表示，作P、M连线中垂线，与其一速度垂线交点为圆心.图25/32(2)求半径方法①由公式qvB＝m，得半径r＝

；方法②由轨迹和约束边界间几何关系求解半径r.(3)定时间粒子在磁场中运动一周时间为T，当粒子运动圆弧所对应圆心角为α时，其运动时间为t＝

T(或t＝

T).答案6/322.圆心角与偏向角、圆周角关系两个主要结论：(1)带电粒子射出磁场速度方向与射入磁场速度方向之间夹角φ叫做偏向角，偏向角等于圆弧

对应圆心角α，即α＝φ，如图3所表示.(2)圆弧

所对应圆心角α等于弦

与切线夹角(弦切角)θ2倍，即α＝2θ，如图所表示.图37/32例1

如图4所表示，一束电荷量为e电子以垂直于磁场方向(磁感应强度为B)并垂直于磁场边界速度v射入宽度为d磁场中，穿出磁场时速度方向和原来射入方向夹角为θ＝60°.求电子质量和穿越磁场时间.典例精析解析答案图48/32解析过M、N作入射方向和出射方向垂线，两垂线交于O点，O点即电子在磁场中做匀速圆周运动圆心，连结ON，过N作OM垂线，垂足为P，如图所表示.解析答案9/3210/32例2一圆筒处于磁感应强度大小为B匀强磁场中，磁场方向与筒轴平行，筒横截面如图5所表示．图中直径MN两端分别开有小孔，筒绕其中心轴以角速度ω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．不计重力．若粒子在筒内未与筒壁发生碰撞，则带电粒子比荷为(

)返回解析答案总结提升图511/32答案A12/32总结提升分析粒子在磁场中运动基本思绪：(1)定圆心；(2)画出粒子运动轨迹；(3)由几何方法确定半径；(4)用规律列方程.返回13/321.定义：测定带电粒子

仪器.2.结构：如图6所表示答案知识梳理二、质谱议图6荷质比14/323.原理：(1)加速：S1和S2之间存在着加速电场.由动能定理：qU＝

mv2.(2)匀速直线运动P1和P2之间区域存在着相互正交

和

.只有满足qE＝qvB1，即v＝

带电粒子才能沿直线匀速经过S3上狭缝.(3)偏转：S3下方空间只存在

.带电粒子在该区域做

运动.经半个圆周运动后打到底片上形成一个细条纹，测出条纹到狭缝S3距离L，就得出了粒子做圆周运动半径R＝

，依据R＝

，能够得出粒子荷质比.4.应用：质谱仪在

、原子核技术中有主要应用.答案匀强磁场匀强电场磁场化学分析匀速圆周15/32质谱仪是怎样区分同位素？答案【深度思索】16/32例3如图7是质谱仪工作原理示意图.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匀强磁场和匀强电场强度分别为B和E.平板S上有可让粒子经过狭缝P和统计粒子位置胶片A1A2.平板S下方有磁感应强度为B0匀强磁场.以下表述正确是(

)典例精析解析答案图7A.质谱仪是分析同位素主要工具B.速度选择器中磁场方向垂直纸面向外C.能经过狭缝P带电粒子速率等于D.粒子打在胶片上位置越靠近狭缝P，粒子比荷越小返回17/32解析质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素重

要工具，故A选项正确；答案ABC返回18/321.原理(1)如图8所表示，盘旋加速器关键部件是两个

，D形盒分别与高频电源两极相连，使缝隙中产生

，加速带电粒子.磁场方向

于D形盒底面.当带电粒子垂直于磁场方向进入D形盒中，粒子受到洛伦兹力作用而做

运动，经过

回到D形盒边缘，缝隙中电场使它取得一次加速.答案三、盘旋加速器知识梳理图8D形盒交变电场匀速圆周半个周期垂直19/32(2)粒子每经过一次加速，其轨道半径都会变大，但只要缝隙中交变电场以T＝

不变周期往复改变就能够确保离子每次经过缝隙时都被电场加速.2.周期：由T＝

得，带电粒子周期与速率、半径均无关(填“相关”或“无关”)，运动相等时间(半个周期)后进入电场.答案3.带电粒子最终能量：由r＝

得，当带电粒子速度最大时，其运动半径也最大，若D形盒半径为R，则带电粒子最终动能Em＝.可见，要提升加速粒子最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒半径R.20/32(1)盘旋加速器中，伴随粒子速度增加，缝隙处电场频率怎样改变才能使粒子在缝隙处刚好被加速？答案【深度思索】答案不变.即使粒子每经过一次加速，其速度和轨道半径就增大，不过粒子做圆周运动周期不变，所以电场频率保持不变就行.(2)粒子在盘旋加速器中加速取得最大动能与交变电压大小有何关系？答案没相关系.盘旋加速器所加交变电压大小只影响加速次数，与粒子取得最大动能无关.21/32例4

盘旋加速器是用来加速一群带电粒子使它们取得很大动能仪器，其关键部分是两个D形金属扁盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接，方便在盒内窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过狭缝时都得到加速，两盒放在磁感应强度为B匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒圆心附近，若粒子源射出粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大盘旋半径为Rmax.求：(1)粒子在盒内做何种运动；典例精析解析答案解析带电粒子在盒内做匀速圆周运动，每次加速之后半径变大.答案匀速圆周运动，每次加速之后半径变大22/32(2)所加交变电流频率及粒子角速度；解析答案23/32(3)粒子离开加速器时最大速度及最大动能.解析答案借题发挥返回24/32借题发挥(1)洛伦兹力永远不做功，磁场作用是让带电粒子“转圈圈”，电场作用是加速带电粒子.(2)两D形盒窄缝所加是与带电粒子做匀速圆周运动周期相同交流电，且粒子每次过窄缝时均为加速电压，每旋转一周被加速两次.(3)粒子射出时最大速度(动能)由磁感应强度和D形盒半径决定，与加速电压无关.返回25/321.(带电粒子在有界磁场中运动)如图9所表示，在第Ⅰ象限内有垂直纸面向里匀强磁场，一对正、负粒子分别以相同速率沿与x轴成30°角方向从原点射入磁场，则正、负粒子在磁场中运动时间之比为(

)解析答案对点检测1234图9解析正、负粒子在磁场中运动轨迹如图所表示，正粒子做匀速圆周运动在磁场中部分对应圆心角为120°，负粒子做匀速圆周运动在磁场中部分所对应圆心角为60°，故时间之比为2∶1.B26/322.(带电粒子在有界磁场中运动)如图10所表示，有界匀强磁场边界限SP∥MN，速率不一样同种带电粒子从S点沿SP方向同时射入磁场.其中穿过a点粒子速度v1与MN垂直；穿过b点粒子速度v2与MN成60°角，设粒子从S到a、b所需时间分别为t1和t2，则t1∶t2为(重力不计)(

)解析答案1234图10A.1∶3 B.4∶3C.1∶1 D.3∶2解析如图所表示，可求出从a点射出粒子对应圆心角为90°.从b点射出粒子对应圆心角为60°.由t＝

T，可得：t1∶t2＝3∶2，故选D.D27/323.(质谱议)质谱议是测带电粒子质量和分析同位素一个仪器，它工作原理是带电粒子(不计重力)经同一电场加速后垂直进入同一匀强磁场做圆周运动，然后利用相关规律计算出带电粒子质量.其工作原理如图11所表示，虚线为某粒子运动轨迹，由图可知(

)解析答案1234图11A.此粒子带负电B.下极板S2比上极板S1电势高C.若只增大加速电压U，则半径r变大D.若只增大入射粒子质量，则半径r变小28/321234粒子经过电场要加速，因粒子带正电，所以下极板S2比上极板S1电势低.故B错误；若只增大加速电压U，由上式可知，则半径r变大，故C正确；若只增大入射粒子质量，由上式可知，则半径也变大.故D错误.答案C29/324.(盘旋加速器原理)(多项选择