洛倫茲力與現(xiàn)代科技課件滬科版選修.ppt

1、,1.為什么不采用直接利用電場(chǎng)加速來(lái)獲得高能粒子？ 提示：利用電場(chǎng)加速，由于受電源電壓的限制，只能獲得能量并不是很高的粒子.如果采取多級(jí)加速，粒子沿直線加速，實(shí)驗(yàn)裝置必然做得非常長(zhǎng)，這就給建造帶來(lái)很大的不便.所以在較小范圍內(nèi)獲得較高能量的粒子是很難通過(guò)電場(chǎng)直接加速實(shí)現(xiàn)的.,2.回旋加速器兩端所加的交流電壓的周期由什么決 定？ 提示：為了保證每次帶電粒子經(jīng)過(guò)狹縫時(shí)均被加速， 使之能量不斷提高，交流電壓的周期必須等于帶電粒 子在回旋加速器中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期即 因此，交流電壓的周期由帶電粒子的質(zhì)量m、帶電量q 和加速器中的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B來(lái)決定.,3.有同學(xué)說(shuō)：“回旋加速器兩D形電極間所加交變

2、電壓 越大，帶電粒子最后獲得的能量越高？”，你認(rèn)為該 同學(xué)的說(shuō)法正確嗎？為什么？ 提示：不正確.由qvB= 和Ek= mv2得Ek= 當(dāng)r=R時(shí)，有最大動(dòng)能Ekm= (R為D形盒的半徑)， 即粒子在回旋加速器中獲得的最大動(dòng)能與q、m、B、R 有關(guān)，與加速電壓無(wú)關(guān).事實(shí)上，只要q、m、B、R一 定，加速電壓越大，只是單次加速獲得的動(dòng)能越大， 但從全過(guò)程來(lái)看，粒子被加速的次數(shù)減少了，粒子獲 得的最高能量不變.,【典例1】(2010新四區(qū)高二檢 測(cè))一個(gè)用于加速質(zhì)子的回旋加 速器，其核心部分如圖所示，D 形盒半徑為R，垂直D形盒底面的 勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，兩 盒分別與交流電源相連.下列說(shuō) 法正

3、確的是( ),A.質(zhì)子被加速后的最大速度隨B、R的增大而增大 B.質(zhì)子被加速后的最大速度隨加速電壓的增大而增大 C.只要R足夠大，質(zhì)子的速度就可以被加速到任意值 D.不需要改變?nèi)魏瘟?，這個(gè)裝置也能用于加速粒子 【思路點(diǎn)撥】解答此題應(yīng)明確以下三點(diǎn)： (1)回旋加速器電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用. (2)回旋加速器粒子獲得的最大速度 (3)回旋加速器所加交變電壓的周期等于粒子做勻速圓 周運(yùn)動(dòng)的周期,【自主解答】選A.由 得，當(dāng)r=R時(shí)，質(zhì)子有最大 速度 即B、R越大，vm越大，vm與加速電壓無(wú) 關(guān)，A對(duì)、B錯(cuò).隨著質(zhì)子速度v的增大、質(zhì)量m會(huì)發(fā)生變 化，據(jù) 知質(zhì)子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期也變化，所 加交流電與其運(yùn)動(dòng)不再

4、同步，即質(zhì)子不可能一直被加 速下去，C錯(cuò).由上面周期公式知粒子與質(zhì)子做圓周 運(yùn)動(dòng)的周期不同，故此裝置不能用于加速粒子，D錯(cuò).,1.從離子源產(chǎn)生的離子經(jīng)電場(chǎng)加速后，由小孔進(jìn)入一個(gè)速度選擇器后，再進(jìn)入磁場(chǎng)，你知道速度選擇器的工作原理嗎？,提示：工作原理：如圖所示，帶電 粒子所受重力可忽略不計(jì)，粒子在 兩板間同時(shí)受到電場(chǎng)力和洛倫茲力 作用，只有當(dāng)二力平衡時(shí)，粒子才 不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，沿直線穿過(guò)兩板間. 由qE=qvB得v= 只有滿足v= 的粒子才能從速度選 擇器中被選擇出來(lái).,2.速度選擇器可以選擇粒子的速度大小，能選擇粒子電性與比荷嗎？ 提示：速度選擇器只選擇速度(大小、方向)而不能選擇粒子的質(zhì)量和電量

5、，若粒子從另一方向入射，則不能穿出速度選擇器.,3.如果帶電粒子的電荷相同而質(zhì)量不同，它們經(jīng)速度 選擇器進(jìn)入磁場(chǎng)后做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑相同嗎？為什 么？ 提示：帶電粒子經(jīng)速度選擇器以相同的速度進(jìn)入磁 場(chǎng)，由半徑公式 可知q、v、B相同而m不同的粒 子，半徑一定不同.,【典例2】(2009廣東高考)如圖 是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖.帶電 粒子被加速電場(chǎng)加速后，進(jìn)入速 度選擇器.速度選擇器內(nèi)相互正交 的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)的強(qiáng)度分 別為B和E.平板S上有可讓粒子通 過(guò)的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2.平板S下方有強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場(chǎng).下列表述正確的是( ),A.質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具 B.速度選

6、擇器中的磁場(chǎng)方向垂直紙面向外 C.能通過(guò)狹縫P的帶電粒子的速率等于E/B D.離子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，離子的荷質(zhì)比越小 【思路點(diǎn)撥】解答本題應(yīng)把握以下三點(diǎn)： (1)知道速度選擇器的原理； (2)熟悉粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問(wèn)題； (3)熟悉相關(guān)公式的建立與銜接.,【自主解答】選A、B、C.由加速電場(chǎng)可知離子所受電 場(chǎng)力向下，即離子帶正電，在速度選擇器中，電場(chǎng)力 水平向右，洛倫茲力水平向左，如題圖所示，因此速 度選擇器中磁場(chǎng)方向垂直紙面向外，B正確；經(jīng)過(guò)速度 選擇器時(shí)滿足qE=qvB，可知能通過(guò)狹縫P的帶電離子的 速率等于E/B，帶電離子進(jìn)入磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)則有 R=mv/qB，可見(jiàn)當(dāng)v相

7、同時(shí)，R 所以可以用來(lái)區(qū)分 同位素，且R越大，比荷就越小，D錯(cuò)誤.,【典例3】在相互垂直的勻強(qiáng)電場(chǎng)和 勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有一傾角為、足夠 長(zhǎng)的光滑絕緣斜面，磁感應(yīng)強(qiáng)度大 小為B，方向垂直紙面向外，電場(chǎng)方 向豎直向上.有一質(zhì)量為m，帶電荷 量為+q的小球靜止在斜面頂端，這時(shí)小球?qū)π泵娴恼龎毫η『脼榱?，如圖所示，若迅速把電場(chǎng)方向反轉(zhuǎn)為豎直向下，小球能在斜面上連續(xù)滑行多遠(yuǎn)？所用時(shí)間是多少？,【思路點(diǎn)撥】解答本題應(yīng)把握以下兩點(diǎn)： (1)帶電小球的重力不能忽略； (2)要根據(jù)小球的受力情況確定其運(yùn)動(dòng)情況.,【標(biāo)準(zhǔn)解答】,答案:,知識(shí)點(diǎn)1：回旋加速器 1.(2011吉林高二檢測(cè))用回旋加速器來(lái)加速質(zhì)子，為了使質(zhì)

8、子獲得的動(dòng)能增加為原來(lái)的4倍，原則上可以采用下列哪幾種方法( ) A.將其磁感應(yīng)強(qiáng)度增大為原來(lái)的2倍 B.將其磁感應(yīng)強(qiáng)度增大為原來(lái)的4倍 C.將D形盒的半徑增大為原來(lái)的2倍 D.將D形盒的半徑增大為原來(lái)的4倍,【解析】選A、C.質(zhì)子在回旋加速器中做圓周運(yùn)動(dòng)的半 徑r= 故動(dòng)能Ek= 所以要使動(dòng)能變?yōu)樵瓉?lái)的 4倍，應(yīng)將磁感應(yīng)強(qiáng)度B或D形盒半徑增為原來(lái)的2倍， A、C對(duì)，B、D錯(cuò).,2.1930年，勞倫斯制成了世界上第一臺(tái) 回旋加速器，其原理如圖所示.這臺(tái)加 速器由兩個(gè)銅質(zhì)D形盒D1、D2構(gòu)成，其間 留有空隙.下列說(shuō)法正確的是( ) A.離子由加速器的中心附近進(jìn)入加速器 B.離子由加速器的邊緣進(jìn)入

9、加速器 C.離子從磁場(chǎng)中獲得能量 D.離子從電場(chǎng)中獲得能量,【解析】選A、D.回旋加速器的兩個(gè)D形盒間隙分布周期性變化的電場(chǎng)，不斷地給帶電粒子加速使其獲得能量；而D形盒處分布勻強(qiáng)磁場(chǎng)，具有一定速度的帶電粒子在D形盒內(nèi)受到洛倫茲力提供的向心力而做勻速圓周運(yùn)動(dòng)；洛倫茲力不做功不能使離子獲得能量，C錯(cuò)；離子源在回旋加速器的中心附近，A、D對(duì)，B錯(cuò).,知識(shí)點(diǎn)2：質(zhì)譜儀 3.如圖所示是質(zhì)譜儀的示意圖，它可以測(cè)定單個(gè)離子的質(zhì)量.圖中離子源S產(chǎn)生帶電荷量為q的離子，經(jīng)電壓為U的電場(chǎng)加速后垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，沿半圓軌道運(yùn)動(dòng)到記錄它的照片底片P上，測(cè)得它在P上位置與A處相距為d，求該離子的質(zhì)量m

10、.,【解析】單個(gè)離子經(jīng)電場(chǎng)加速后有 離子進(jìn)入磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)有 聯(lián)立得 答案:,知識(shí)點(diǎn)3：其他應(yīng)用實(shí)例 4.(2011紹興高二檢測(cè))如圖所示,充 電的兩平行金屬板間有場(chǎng)強(qiáng)為E的勻強(qiáng) 電場(chǎng)和方向與電場(chǎng)垂直(垂直紙面向里) 的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,構(gòu)成速度 選擇器,氕氘氚核以相同的動(dòng)能Ek從兩 極板中間垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)射入速度選擇器,且氘核沿直線射出,則射出時(shí)( ),A.動(dòng)能增加的是氚核 B.動(dòng)能增加的是氕核 C.偏向正極板的是氚核 D.偏向正極板的是氕核 【解析】選A、D.動(dòng)能相同的氕氘氚核由于質(zhì)量不同, 由v= 知,射入速度選擇器中的速度也不同,氕核 的速度比氘核大,洛倫茲力大于電場(chǎng)力,

11、偏向正極板,電 場(chǎng)力做負(fù)功,動(dòng)能減小,故B錯(cuò),D對(duì).氚核的速度比氘核 的速度小,洛倫茲力小于電場(chǎng)力,偏向負(fù)極板,電場(chǎng)力做 正功,動(dòng)能增加,故A對(duì)，C錯(cuò).,5.如圖所示,磁流體發(fā)電機(jī)的極板相距d=0.2 m,極板間有垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),B=1.0 T.外電路中負(fù)載電阻R用導(dǎo)線與極板相連，R=4 .電離氣體以速率v= 1 100 m/s沿極板射入,極板間電離氣體等效內(nèi)阻r= 1 ,試求此發(fā)電機(jī)的輸出功率為多大?,【解析】開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí),由離子受力平衡可得 所以板間電壓為:U=Ed=Bvd. 此發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)為 E源=U=Bvd=1.01 1000.2 V=220 V. 據(jù)閉合電路歐姆定律可求得

12、電路中的電流 故此發(fā)電機(jī)的輸出功率 P=I2R=4424 W=7 744 W 答案:7 744 W,一、選擇題(本題包括5個(gè)小題，每小題3分，共15分) 1.關(guān)于回旋加速器中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的說(shuō)法中正確的是 ( ) A.電場(chǎng)和磁場(chǎng)都對(duì)帶電粒子起加速作用 B.電場(chǎng)和磁場(chǎng)是交替地對(duì)帶電粒子做功的 C.只有磁場(chǎng)才能對(duì)帶電粒子起加速作用 D.磁場(chǎng)的作用是使帶電粒子在D形盒中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),【解析】選D.回旋加速器中電場(chǎng)的作用是使帶電粒子每經(jīng)過(guò)狹縫一次加速一次，磁場(chǎng)的作用是使帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng).但對(duì)帶電粒子不做功.所以D正確，A、B、C均不正確.,2.回旋加速器是利用較低電壓的 高頻電源使粒子經(jīng)多

13、次加速獲得 巨大速度的一種儀器，工作原理 如圖，下列說(shuō)法正確的是( ) A.粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng) B.粒子的軌道半徑與它的速率成正比 C.粒子的運(yùn)動(dòng)周期和運(yùn)動(dòng)速率成正比 D.粒子由A0運(yùn)動(dòng)到A1比粒子由A2運(yùn)動(dòng)到A3所用時(shí)間少,【解析】選A、B.帶電粒子在磁場(chǎng)中在洛倫茲力的作用 下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，由 可知粒子的軌道 半徑與其速率v成正比，運(yùn)動(dòng)周期T與運(yùn)動(dòng)速率無(wú)關(guān)， 所以A、B正確，C不正確.粒子由A0運(yùn)動(dòng)到A1，所用時(shí) 間和粒子由A2運(yùn)動(dòng)到A3所用時(shí)間都是 是相同的，所 以D錯(cuò).,3.如圖為質(zhì)譜儀工作原理分析圖， 若用質(zhì)譜儀分析帶正電的離子束 的性質(zhì)，則下列判斷正確的是 ( ) A.若離

14、子束是同位素，則BD的距 離越大，離子的質(zhì)量越大 B.若離子束是同位素，則BD的距離越大，離子的質(zhì)量越小 C.只要BD的距離相同，則離子的質(zhì)量一定相同 D.只要BD的距離相同，則離子的比荷(荷質(zhì)比)一定相同,【解析】選A、D.電場(chǎng)加速qU= mv2，帶電粒子在勻強(qiáng) 磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)qvB= BD間距為2r，所以 有BD= 若離子束是同位素，q相同，則BD的距 離越大，說(shuō)明離子的質(zhì)量越大，A正確，B錯(cuò)誤，只要 BD距離相同，則說(shuō)明 相同，即比荷也相同，C錯(cuò)誤， D正確.,4.如圖所示，在x0、y0的空間中有恒定的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直于Oxy平面向里，大小為B.現(xiàn)有一質(zhì)量為m，電荷量

15、為q的帶電粒子，在x軸上到原點(diǎn)O的距離為x0的P點(diǎn)，以平行于y軸的初速度垂直于磁場(chǎng)的方向射入磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)作用下沿垂直于y軸的方向射出磁場(chǎng).不計(jì)重力的影響，由這些條件可知( ),A.可以確定粒子通過(guò)y軸時(shí)的位置 B.可以確定粒子速度的大小 C.可以確定粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間 D.以上三個(gè)判斷都不對(duì) 【解析】選A、B、C.可判斷帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 軌跡為四分之一圓周，其圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，半徑為 r=x0，所以粒子通過(guò)y軸時(shí)的位置坐標(biāo)為(0，x0)，在 磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t= T= A、C正確；由半徑公 式 得粒子的速度大小 B正確.,5.(2010合肥高二檢測(cè))為了測(cè)量某化工廠的污水排放量，

16、技術(shù)人員在該廠的排污管末端安裝了如圖所示的流量計(jì)，該裝置由絕緣材料制成，長(zhǎng)、寬、高分別為a、b、c，左右兩端開(kāi)口，在垂直于上下底面方向加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，在前后兩個(gè)內(nèi)側(cè)固定有金屬板作為電極，污水充滿管口從左向右流經(jīng)該裝置時(shí)，電壓表將顯示兩個(gè)電極間的電壓U.若用Q表示污水流量(單位時(shí)間內(nèi)流出的污水體積)，下列說(shuō)法中正確的是( ),A.若污水中正離子較多，則前表面比后表面電勢(shì)低 B.前表面的電勢(shì)一定低于后表面的電勢(shì)，與哪種離子多少無(wú)關(guān) C.污水中離子濃度越高，電壓表的示數(shù)將越大 D.污水流量Q與U成正比，與a、b、c無(wú)關(guān),【解析】選B.根據(jù)污水流動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向的關(guān)系， 由左手定則判斷，流

17、量計(jì)的前表面聚集負(fù)電荷，后表 面聚集正電荷，故前表面電勢(shì)一定低于后表面的電 勢(shì)，與哪種離子多少無(wú)關(guān)，A錯(cuò)誤，B正確.當(dāng)污水中的 帶電粒子所受的電場(chǎng)力與洛倫茲力平衡(qE=qvB)時(shí)， 電壓表示數(shù)達(dá)到恒壓，又因?yàn)閁=Eb，所以U=vBb，可見(jiàn) 電壓與離子濃度無(wú)關(guān)，C錯(cuò)誤，污水流量可求為Q=vbc= 故流量Q與U成正比，與a、b無(wú)關(guān)，與c有關(guān)，D錯(cuò) 誤.,二、非選擇題(本題包括2個(gè)小題，共15分) 6.(7分)如圖所示為電視機(jī)顯像管 的簡(jiǎn)化原理圖，現(xiàn)有質(zhì)量為m、電 荷量為e、初速度不計(jì)的電子經(jīng)加 速電場(chǎng)加速后，垂直于磁場(chǎng)射入 寬度為L(zhǎng)的有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，勻強(qiáng) 磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，若電子束的偏轉(zhuǎn)角為

18、，求：加速電場(chǎng)的電勢(shì)差U為多大？,【解析】設(shè)電子被加速電場(chǎng)加速后速度為v，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示.據(jù)動(dòng)能定理有,eU= mv2 設(shè)粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動(dòng) 據(jù)牛頓第二定律有 據(jù)幾何關(guān)系有sin= 由以上各式解得 答案:,7.(8分)圖示為質(zhì)譜儀的示意圖.速 度選擇器部分的勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng) 度E1.2105 V/m，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的 磁感應(yīng)強(qiáng)度B10.6 T，偏轉(zhuǎn)分離 器的磁感應(yīng)強(qiáng)度B20.8 T. (1)求能沿直線通過(guò)速度選擇器的粒子的速度大小v. (2)已知質(zhì)子的質(zhì)量mH1.6710-27 kg，所帶的電荷量e1.61019 C，求質(zhì)子和氘核21H進(jìn)入偏轉(zhuǎn)分離器后打在照相底片上的條紋之間的距離d.,【解析】(1)能沿直線通過(guò)速度選擇器的粒子所受到的電場(chǎng)力和洛倫茲力等大、反向，即evB1eE 解得：,(2)粒子進(jìn)入磁場(chǎng)B2后做圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，即 evB2 可得：R 又質(zhì)子的質(zhì)量為mH，氘核的質(zhì)量為2mH，則有： 5.2103 m. 答案:(1)2105m/s (2)5.2103 m,1.(2012聊城高二檢測(cè))(10分)如圖所示，在地面附近有一范圍足夠大的互相正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng).勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向水平且垂直紙面向外，一質(zhì)量為m、