高中物理第三章磁場(chǎng)第6講洛倫茲力的應(yīng)用省公開(kāi)課一等獎(jiǎng)新課獲獎(jiǎng)?wù)n件

第6講洛倫茲力應(yīng)用第三章磁場(chǎng)1/321.知道利用磁場(chǎng)控制帶電粒子偏轉(zhuǎn).2.掌握帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律和分析方法.3.了解質(zhì)譜儀、盤旋加速器結(jié)構(gòu)和原理.目標(biāo)定位2/32二、質(zhì)譜議三、盤旋加速器對(duì)點(diǎn)檢測(cè)自查自糾欄目索引一、利用磁場(chǎng)控制帶電粒子運(yùn)動(dòng)3/32答案一、利用磁場(chǎng)控制帶電粒子運(yùn)動(dòng)知識(shí)梳理圖1(二)控制特點(diǎn)：只改變帶電粒子

，不改變帶電粒子

.運(yùn)動(dòng)方向速度大小4/32(三)帶電粒子在有界磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)處理方法1.“一找圓心，二求半徑，三定時(shí)間”方法.(1)圓心確實(shí)定方法：兩線定一“心”①圓心一定在垂直于速度直線上.如圖2甲所表示，已知入射點(diǎn)P(或出射點(diǎn)M)速度方向，可經(jīng)過(guò)入射點(diǎn)和出射點(diǎn)作速度垂線，兩條直線交點(diǎn)就是圓心.②圓心一定在弦中垂線上.如圖乙所表示，作P、M連線中垂線，與其一速度垂線交點(diǎn)為圓心.圖25/32(2)求半徑方法①由公式qvB＝m，得半徑r＝

；方法②由軌跡和約束邊界間幾何關(guān)系求解半徑r.(3)定時(shí)間粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)一周時(shí)間為T，當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)圓弧所對(duì)應(yīng)圓心角為α?xí)r，其運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t＝

T(或t＝

T).答案6/322.圓心角與偏向角、圓周角關(guān)系兩個(gè)主要結(jié)論：(1)帶電粒子射出磁場(chǎng)速度方向與射入磁場(chǎng)速度方向之間夾角φ叫做偏向角，偏向角等于圓弧

對(duì)應(yīng)圓心角α，即α＝φ，如圖3所表示.(2)圓弧

所對(duì)應(yīng)圓心角α等于弦

與切線夾角(弦切角)θ2倍，即α＝2θ，如圖所表示.圖37/32例1

如圖4所表示，一束電荷量為e電子以垂直于磁場(chǎng)方向(磁感應(yīng)強(qiáng)度為B)并垂直于磁場(chǎng)邊界速度v射入寬度為d磁場(chǎng)中，穿出磁場(chǎng)時(shí)速度方向和原來(lái)射入方向夾角為θ＝60°.求電子質(zhì)量和穿越磁場(chǎng)時(shí)間.典例精析解析答案圖48/32解析過(guò)M、N作入射方向和出射方向垂線，兩垂線交于O點(diǎn)，O點(diǎn)即電子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)圓心，連結(jié)ON，過(guò)N作OM垂線，垂足為P，如圖所表示.解析答案9/3210/32例2一圓筒處于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向與筒軸平行，筒橫截面如圖5所表示．圖中直徑MN兩端分別開(kāi)有小孔，筒繞其中心軸以角速度ω順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)．在該截面內(nèi)，一帶電粒子從小孔M射入筒內(nèi)，射入時(shí)運(yùn)動(dòng)方向與MN成30°角．當(dāng)筒轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，該粒子恰好從小孔N飛出圓筒．不計(jì)重力．若粒子在筒內(nèi)未與筒壁發(fā)生碰撞，則帶電粒子比荷為(

)返回解析答案總結(jié)提升圖511/32答案A12/32總結(jié)提升分析粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)基本思緒：(1)定圓心；(2)畫(huà)出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡；(3)由幾何方法確定半徑；(4)用規(guī)律列方程.返回13/321.定義：測(cè)定帶電粒子

儀器.2.結(jié)構(gòu)：如圖6所表示答案知識(shí)梳理二、質(zhì)譜議圖6荷質(zhì)比14/323.原理：(1)加速：S1和S2之間存在著加速電場(chǎng).由動(dòng)能定理：qU＝

mv2.(2)勻速直線運(yùn)動(dòng)P1和P2之間區(qū)域存在著相互正交

和

.只有滿足qE＝qvB1，即v＝

帶電粒子才能沿直線勻速經(jīng)過(guò)S3上狹縫.(3)偏轉(zhuǎn)：S3下方空間只存在

.帶電粒子在該區(qū)域做

運(yùn)動(dòng).經(jīng)半個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)后打到底片上形成一個(gè)細(xì)條紋，測(cè)出條紋到狹縫S3距離L，就得出了粒子做圓周運(yùn)動(dòng)半徑R＝

，依據(jù)R＝

，能夠得出粒子荷質(zhì)比.4.應(yīng)用：質(zhì)譜儀在

、原子核技術(shù)中有主要應(yīng)用.答案勻強(qiáng)磁場(chǎng)勻強(qiáng)電場(chǎng)磁場(chǎng)化學(xué)分析勻速圓周15/32質(zhì)譜儀是怎樣區(qū)分同位素？答案【深度思索】16/32例3如圖7是質(zhì)譜儀工作原理示意圖.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)相互正交勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度分別為B和E.平板S上有可讓粒子經(jīng)過(guò)狹縫P和統(tǒng)計(jì)粒子位置膠片A1A2.平板S下方有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0勻強(qiáng)磁場(chǎng).以下表述正確是(

)典例精析解析答案圖7A.質(zhì)譜儀是分析同位素主要工具B.速度選擇器中磁場(chǎng)方向垂直紙面向外C.能經(jīng)過(guò)狹縫P帶電粒子速率等于D.粒子打在膠片上位置越靠近狹縫P，粒子比荷越小返回17/32解析質(zhì)譜儀是測(cè)量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素重

要工具，故A選項(xiàng)正確；答案ABC返回18/321.原理(1)如圖8所表示，盤旋加速器關(guān)鍵部件是兩個(gè)

，D形盒分別與高頻電源兩極相連，使縫隙中產(chǎn)生

，加速帶電粒子.磁場(chǎng)方向

于D形盒底面.當(dāng)帶電粒子垂直于磁場(chǎng)方向進(jìn)入D形盒中，粒子受到洛倫茲力作用而做

運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)

回到D形盒邊緣，縫隙中電場(chǎng)使它取得一次加速.答案三、盤旋加速器知識(shí)梳理圖8D形盒交變電場(chǎng)勻速圓周半個(gè)周期垂直19/32(2)粒子每經(jīng)過(guò)一次加速，其軌道半徑都會(huì)變大，但只要縫隙中交變電場(chǎng)以T＝

不變周期往復(fù)改變就能夠確保離子每次經(jīng)過(guò)縫隙時(shí)都被電場(chǎng)加速.2.周期：由T＝

得，帶電粒子周期與速率、半徑均無(wú)關(guān)(填“相關(guān)”或“無(wú)關(guān)”)，運(yùn)動(dòng)相等時(shí)間(半個(gè)周期)后進(jìn)入電場(chǎng).答案3.帶電粒子最終能量：由r＝

得，當(dāng)帶電粒子速度最大時(shí)，其運(yùn)動(dòng)半徑也最大，若D形盒半徑為R，則帶電粒子最終動(dòng)能Em＝.可見(jiàn)，要提升加速粒子最終能量，應(yīng)盡可能增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B和D形盒半徑R.20/32(1)盤旋加速器中，伴隨粒子速度增加，縫隙處電場(chǎng)頻率怎樣改變才能使粒子在縫隙處剛好被加速？答案【深度思索】答案不變.即使粒子每經(jīng)過(guò)一次加速，其速度和軌道半徑就增大，不過(guò)粒子做圓周運(yùn)動(dòng)周期不變，所以電場(chǎng)頻率保持不變就行.(2)粒子在盤旋加速器中加速取得最大動(dòng)能與交變電壓大小有何關(guān)系？答案沒(méi)相關(guān)系.盤旋加速器所加交變電壓大小只影響加速次數(shù)，與粒子取得最大動(dòng)能無(wú)關(guān).21/32例4

盤旋加速器是用來(lái)加速一群帶電粒子使它們?nèi)〉煤艽髣?dòng)能儀器，其關(guān)鍵部分是兩個(gè)D形金屬扁盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相接，方便在盒內(nèi)窄縫中形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，使粒子每次穿過(guò)狹縫時(shí)都得到加速，兩盒放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于盒底面，粒子源置于盒圓心附近，若粒子源射出粒子電荷量為q，質(zhì)量為m，粒子最大盤旋半徑為Rmax.求：(1)粒子在盒內(nèi)做何種運(yùn)動(dòng)；典例精析解析答案解析帶電粒子在盒內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，每次加速之后半徑變大.答案勻速圓周運(yùn)動(dòng)，每次加速之后半徑變大22/32(2)所加交變電流頻率及粒子角速度；解析答案23/32(3)粒子離開(kāi)加速器時(shí)最大速度及最大動(dòng)能.解析答案借題發(fā)揮返回24/32借題發(fā)揮(1)洛倫茲力永遠(yuǎn)不做功，磁場(chǎng)作用是讓帶電粒子“轉(zhuǎn)圈圈”，電場(chǎng)作用是加速帶電粒子.(2)兩D形盒窄縫所加是與帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)周期相同交流電，且粒子每次過(guò)窄縫時(shí)均為加速電壓，每旋轉(zhuǎn)一周被加速兩次.(3)粒子射出時(shí)最大速度(動(dòng)能)由磁感應(yīng)強(qiáng)度和D形盒半徑?jīng)Q定，與加速電壓無(wú)關(guān).返回25/321.(帶電粒子在有界磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng))如圖9所表示，在第Ⅰ象限內(nèi)有垂直紙面向里勻強(qiáng)磁場(chǎng)，一對(duì)正、負(fù)粒子分別以相同速率沿與x軸成30°角方向從原點(diǎn)射入磁場(chǎng)，則正、負(fù)粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間之比為(

)解析答案對(duì)點(diǎn)檢測(cè)1234圖9解析正、負(fù)粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所表示，正粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)在磁場(chǎng)中部分對(duì)應(yīng)圓心角為120°，負(fù)粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)在磁場(chǎng)中部分所對(duì)應(yīng)圓心角為60°，故時(shí)間之比為2∶1.B26/322.(帶電粒子在有界磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng))如圖10所表示，有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)邊界限SP∥MN，速率不一樣同種帶電粒子從S點(diǎn)沿SP方向同時(shí)射入磁場(chǎng).其中穿過(guò)a點(diǎn)粒子速度v1與MN垂直；穿過(guò)b點(diǎn)粒子速度v2與MN成60°角，設(shè)粒子從S到a、b所需時(shí)間分別為t1和t2，則t1∶t2為(重力不計(jì))(

)解析答案1234圖10A.1∶3 B.4∶3C.1∶1 D.3∶2解析如圖所表示，可求出從a點(diǎn)射出粒子對(duì)應(yīng)圓心角為90°.從b點(diǎn)射出粒子對(duì)應(yīng)圓心角為60°.由t＝

T，可得：t1∶t2＝3∶2，故選D.D27/323.(質(zhì)譜議)質(zhì)譜議是測(cè)帶電粒子質(zhì)量和分析同位素一個(gè)儀器，它工作原理是帶電粒子(不計(jì)重力)經(jīng)同一電場(chǎng)加速后垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)做圓周運(yùn)動(dòng)，然后利用相關(guān)規(guī)律計(jì)算出帶電粒子質(zhì)量.其工作原理如圖11所表示，虛線為某粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，由圖可知(

)解析答案1234圖11A.此粒子帶負(fù)電B.下極板S2比上極板S1電勢(shì)高C.若只增大加速電壓U，則半徑r變大D.若只增大入射粒子質(zhì)量，則半徑r變小28/321234粒子經(jīng)過(guò)電場(chǎng)要加速，因粒子帶正電，所以下極板S2比上極板S1電勢(shì)低.故B錯(cuò)誤；若只增大加速電壓U，由上式可知，則半徑r變大，故C正確；若只增大入射粒子質(zhì)量，由上式可知，則半徑也變大.故D錯(cuò)誤.答案C29/324.(盤旋加速器原理)(多項(xiàng)選擇