(課堂設計)2014-2015高中物理 5.6 洛倫茲力與現(xiàn)代科技課件 滬科版選修3-1

1、第第6課時課時 洛倫茲力與現(xiàn)代科技洛倫茲力與現(xiàn)代科技 學學 習習 目目 標標思思 維維 啟啟 迪迪 1.知道回旋加速器的知道回旋加速器的 構造和工作原理構造和工作原理 2.知道質譜儀的構造知道質譜儀的構造 和工作原理和工作原理. 為了研究物質的微觀結構，科學為了研究物質的微觀結構，科學 家必須用各種各樣的加速器產(chǎn)生出速家必須用各種各樣的加速器產(chǎn)生出速 度很大的高能粒子歐洲核子研究中度很大的高能粒子歐洲核子研究中 心的粒子加速器周長達心的粒子加速器周長達27 km(如圖如圖5 61中的大圓中的大圓)，為什么加速器需要那，為什么加速器需要那 么大的周長呢？么大的周長呢？ 圖圖5-6-1 一、回旋加

2、速器一、回旋加速器 1結構：回旋加速器主要由圓柱形磁極、結構：回旋加速器主要由圓柱形磁極、_ 金屬盒、金屬盒、 _電源、粒子源和粒子引出裝置等組電源、粒子源和粒子引出裝置等組 成成 知識梳理知識梳理 兩個兩個D形形 高頻交變高頻交變 二、質譜儀二、質譜儀 1質譜儀的作用質譜儀的作用 利用磁場對帶電粒子的偏轉，利用磁場對帶電粒子的偏轉， 由帶電粒子的電荷量、軌道半徑確由帶電粒子的電荷量、軌道半徑確 定其質量的儀器定其質量的儀器 2構造構造 如圖如圖562所示，主要由以所示，主要由以 下幾部分組成：下幾部分組成： 帶電粒子注入器帶電粒子注入器 加速電場加速電場(U) 圖圖5-6-2 速度選擇器速度

3、選擇器(B1、E) 偏轉磁場偏轉磁場(B2) 照相底片照相底片 3速度選擇器原理速度選擇器原理 (1)粒子受力特點：同時受方向相反的電場力和粒子受力特點：同時受方向相反的電場力和 磁場力作用磁場力作用 注意注意：速度選擇器兩極板間距離極小，粒子稍：速度選擇器兩極板間距離極小，粒子稍 有偏轉，即打到極板上有偏轉，即打到極板上 速度選擇器對正、負電荷均適用速度選擇器對正、負電荷均適用 速度選擇器中的速度選擇器中的E、B1的方向具有確定的關系，的方向具有確定的關系， 僅改變其中一個方向，就不能對速度做出選擇僅改變其中一個方向，就不能對速度做出選擇 4質譜儀的工作原理質譜儀的工作原理 如圖如圖562所

4、示，設進入加速電場的帶電粒子所示，設進入加速電場的帶電粒子 帶電荷量為帶電荷量為q、質量為、質量為m，電場兩板間電壓，電場兩板間電壓U、粒、粒 子出電場后垂直進入磁感應強度為子出電場后垂直進入磁感應強度為B2的勻強磁場的勻強磁場 1如圖如圖563所示，水平導線中有所示，水平導線中有 電流電流I通過，導線正下方的電子初速度的方通過，導線正下方的電子初速度的方 向與電流向與電流I的方向相同，則電子將的方向相同，則電子將 () A沿路徑沿路徑a運動，軌跡是圓運動，軌跡是圓 B沿路徑沿路徑a運動，軌跡半徑越來越大運動，軌跡半徑越來越大 C沿路徑沿路徑a運動，軌跡半徑越來越小運動，軌跡半徑越來越小 D沿

5、路徑沿路徑b運動，軌跡半徑越來越小運動，軌跡半徑越來越小 答案答案：B 基礎自測基礎自測 圖圖5-6-3 2電子在勻強磁場中做勻速圓周運動下列說電子在勻強磁場中做勻速圓周運動下列說 法正確的是法正確的是 () A速率越大，周期越大速率越大，周期越大 B速率越小，周期越大速率越小，周期越大 C速度方向與磁場方向平行速度方向與磁場方向平行 D速度方向與磁場方向垂直速度方向與磁場方向垂直 答案答案：D 31930年勞倫斯制成了世界上第年勞倫斯制成了世界上第 一臺回旋加速器，其原理如圖一臺回旋加速器，其原理如圖564 所示，這臺加速器由兩個銅質所示，這臺加速器由兩個銅質D形盒形盒 D1、D2構成，其間

6、留有空隙，下列說構成，其間留有空隙，下列說 法正確的是法正確的是 () A離子由加速器的中心附近進離子由加速器的中心附近進 入加速器入加速器 B離子由加速器的邊緣進入加離子由加速器的邊緣進入加 速器速器 C離子從磁場中獲得能量離子從磁場中獲得能量 D離子從電場中獲得能量離子從電場中獲得能量 答案答案：AD 圖圖5-6-4 4經(jīng)過回旋加速器加速后，帶電粒子獲得的動經(jīng)過回旋加速器加速后，帶電粒子獲得的動 能能 () A與與D形盒的半徑無關形盒的半徑無關 B與高頻電源的電壓無關與高頻電源的電壓無關 C與兩與兩D形盒間的縫隙寬度無關形盒間的縫隙寬度無關 D與勻強磁場的磁感應強度無關與勻強磁場的磁感應強

7、度無關 答案答案：BC 5如圖如圖565是質譜儀的工作原是質譜儀的工作原 理示意圖帶電粒子被加速電場加速后，理示意圖帶電粒子被加速電場加速后， 進入速度選擇器速度選擇器內(nèi)相互正進入速度選擇器速度選擇器內(nèi)相互正 交的勻強磁場和勻強電場的強度分別為交的勻強磁場和勻強電場的強度分別為 B和和E.平板平板S上有可讓粒子通過的狹縫上有可讓粒子通過的狹縫P 和記錄粒子位置的膠片和記錄粒子位置的膠片A1A2.平板平板S下方下方 有強度為有強度為B0的勻強磁場下列表述正確的勻強磁場下列表述正確 的是的是 () 圖圖5-6-5 A質譜儀是分析同位素的重要工具質譜儀是分析同位素的重要工具 B速度選擇器中的磁場方向

8、垂直紙面向外速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向外 C能通過狹縫能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于的帶電粒子的速率等于E/B D粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的，粒子的 荷質比越小荷質比越小 答案答案：ABC 工作原理工作原理 利用電場對帶電粒子的加速利用電場對帶電粒子的加速 作用和磁場對運動電荷的偏轉作作用和磁場對運動電荷的偏轉作 用來獲得高能粒子，這些過程在用來獲得高能粒子，這些過程在 回旋加速器的兩個回旋加速器的兩個D形盒和其間形盒和其間 的窄縫內(nèi)完成，如圖的窄縫內(nèi)完成，如圖566所所 示示 回旋加速器回旋加速器 圖圖5-6-6 (2)電場的作用：回旋加速

9、器的兩個電場的作用：回旋加速器的兩個D形盒之間形盒之間 的窄縫區(qū)域存在周期性變化的勻強電場，方向垂直的窄縫區(qū)域存在周期性變化的勻強電場，方向垂直 于兩于兩D形盒正對的截面，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時被加形盒正對的截面，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時被加 速速 (3)交變電壓：為了保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫交變電壓：為了保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫 時都被加速，使之能量不斷提高，須在窄縫兩側加時都被加速，使之能量不斷提高，須在窄縫兩側加 上跟帶電粒子在上跟帶電粒子在D形盒中運動周期相同的交變電壓形盒中運動周期相同的交變電壓 帶電粒子的最終能量帶電粒子的最終能量 可見，要提高加速粒子的最終能量，應盡可能可見，要提高加速

10、粒子的最終能量，應盡可能 增大磁感應強度增大磁感應強度B和和D形盒的半徑形盒的半徑R. 【例例1】 有一回旋加速器，它的高頻電源的頻有一回旋加速器，它的高頻電源的頻 率為率為1.2107 Hz，D形盒的半徑為形盒的半徑為0.532 m，求加速，求加速 氘核時所需的磁感應強度為多大？氘核所能達到的氘核時所需的磁感應強度為多大？氘核所能達到的 最大動能為多少？最大動能為多少？(氘核的質量為氘核的質量為3.310 27 kg，氘 ，氘 核的電荷量為核的電荷量為1.610 19 C) 答案答案：1.55 T2.6410 12 J 【題后反思題后反思】 回旋加速器中粒子在磁場中做回旋加速器中粒子在磁場中

11、做 圓周運動的周期等于圓周運動的周期等于D形盒所加交變電壓的周期形盒所加交變電壓的周期 用一臺回旋加速器來加速質子時，為使質用一臺回旋加速器來加速質子時，為使質 子獲得的動能增加為原來的子獲得的動能增加為原來的4倍，則可以采取的方法倍，則可以采取的方法 是是 () A將回旋加速器的磁感應強度將回旋加速器的磁感應強度B增大到原來的增大到原來的 2倍倍 B將磁感應強度將磁感應強度B提高到原來的提高到原來的4倍倍 C將將D形盒的直徑增大到原來的形盒的直徑增大到原來的4倍倍 D將將D形盒的直徑和磁感應強度形盒的直徑和磁感應強度B各增大到原各增大到原 來的來的 2倍倍 解析解析：本題的關鍵是知道回旋加速

12、器使粒子獲：本題的關鍵是知道回旋加速器使粒子獲 得的最大動能與哪些客觀因素得的最大動能與哪些客觀因素(回旋加速器構造回旋加速器構造)有怎有怎 樣的關系樣的關系 答案答案：A (1)質譜儀是用來測定比荷，質譜儀是用來測定比荷， 以鑒定同位素的裝置該裝置以鑒定同位素的裝置該裝置 包含三部分：其一是粒子加速包含三部分：其一是粒子加速 器，其二是速度選擇器，其三器，其二是速度選擇器，其三 是偏轉磁場如圖是偏轉磁場如圖567 所所 示示 質譜儀質譜儀 圖圖5-6-7 【例例2】 如圖如圖568所示是所示是 一種質譜儀的示意圖，從離子源一種質譜儀的示意圖，從離子源S 產(chǎn)生的正離子，經(jīng)過產(chǎn)生的正離子，經(jīng)過S

13、1和和S2之間的之間的 加速電場，進入速度選擇器，加速電場，進入速度選擇器，P1和和 P2間的電場強度為間的電場強度為E，磁感應強度，磁感應強度 為為B1，離子由，離子由S3射出后進入磁感應射出后進入磁感應 強度為強度為B2的勻強磁場區(qū)域，由于各的勻強磁場區(qū)域，由于各 種離子軌道半徑種離子軌道半徑R不同，而分別射不同，而分別射 到底片上不同的位置，形成譜線到底片上不同的位置，形成譜線 圖圖5-6-8 (2)若已知速度選擇器中的電場強度若已知速度選擇器中的電場強度E和磁場強和磁場強 度度B1，R和和B2也知道，則離子的比荷為多少？也知道，則離子的比荷為多少？ (3)要使氫的同位素氘和氚的正離子經(jīng)

14、加速電場要使氫的同位素氘和氚的正離子經(jīng)加速電場 和速度選擇器以相同的速度進入磁感應強度為和速度選擇器以相同的速度進入磁感應強度為B2的的 勻強磁場勻強磁場(設進入加速電場時速度為零設進入加速電場時速度為零) 若保持速度選擇器的若保持速度選擇器的E和和B1不變，則加速電不變，則加速電 場場S1、S2間的電壓比應為多少？間的電壓比應為多少？ 它們譜線位置到狹縫它們譜線位置到狹縫S3間距離之比為多少？間距離之比為多少？ 【題后反思題后反思】 質譜儀首先選取速度相同的粒子質譜儀首先選取速度相同的粒子 由于不同粒子有不同的比荷，因此打在底片上的不同由于不同粒子有不同的比荷，因此打在底片上的不同 位置，所以質譜儀可以分開同位素位置，所以質譜儀可以分開同位素 質譜儀原理如圖質譜儀原理如圖569所示，所示，a為粒子加為粒子加 速器，電壓為速器，電壓為U1，b為速度選擇器，磁場與電場正為速度選擇器，磁場與電場正 交，磁感應強度為交，磁感應強度為B1，板間距離為，板間距離為d，c為偏轉分為偏轉分 離器，