2018版高中物理 第3章 打開(kāi)電磁學(xué)的大門(mén) 第3節(jié) 洛倫茲力的應(yīng)用學(xué)案 魯科版選修1-1

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2018版高中物理 第3章 打開(kāi)電磁學(xué)的大門(mén) 第3節(jié) 洛倫茲力的應(yīng)用學(xué)案 魯科版選修1-1_第1頁(yè)
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1、第3節(jié) 洛倫茲力的應(yīng)用 學(xué) 習(xí) 目 標(biāo) 知 識(shí) 脈 絡(luò) 1.初步了解顯像管的主要構(gòu)造和真空顯像管的工作原理.(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 2.了解帶電粒子的磁偏轉(zhuǎn)在磁流體發(fā)電機(jī)中的作用. 3.知道回旋加速器的工作原理,(重點(diǎn)、難點(diǎn))并了解加速器的基本用途. 磁 偏 轉(zhuǎn) 與 顯 像 管 1.顯像管的構(gòu)造:主要由電子槍和熒光屏兩部分構(gòu)成.電子槍用來(lái)發(fā)射電子束,熒光屏在電子束的沖擊下發(fā)光. 2.顯像管的原理 (1)為了再現(xiàn)拍攝時(shí)的原圖像,必須使電子束的掃描反映出原圖像的信息. (2)磁偏轉(zhuǎn)線圈:偏轉(zhuǎn)線圈通入電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),當(dāng)電子束通過(guò)時(shí),將受到洛倫茲力作用,實(shí)現(xiàn)水平偏轉(zhuǎn)和

2、偏轉(zhuǎn). (3)電子束的偏轉(zhuǎn)方向是用包含圖像信息的交變電流控制磁偏轉(zhuǎn)線圈實(shí)現(xiàn)的,電子束打在屏幕上的位置反映的就是圖像的信息,屏幕上展現(xiàn)的也就是拍攝的圖像. 1.黑白電視機(jī)的顯像管中只有一支電子槍?zhuān)?√) 2.其他電器設(shè)備在工作時(shí),不會(huì)對(duì)電視機(jī)產(chǎn)生影響.(×) 3.電子束撞擊熒光屏?xí)r熒光屏?xí)l(fā)光.(√) 1.電子束的磁偏轉(zhuǎn) 電子束在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),若速度方向與磁場(chǎng)方向垂直根據(jù)左手定則,運(yùn)動(dòng)電荷所受洛倫茲力方向始終與其速度方向垂直.因此洛倫茲力不能改變運(yùn)動(dòng)電荷速度的大小,只能改變運(yùn)動(dòng)的方向,使其發(fā)生偏轉(zhuǎn). 2.顯像管的工作原理 (1)工作原理:顯像管工作時(shí),陰極發(fā)射電子,加速后

3、電子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)、磁場(chǎng)作用下打到熒光屏上不同位置,熒光屏因大量電子撞擊發(fā)光而形成圖像. (2)掃描:電子束打在熒光屏上的光點(diǎn),按一定規(guī)則不斷在水平方向、豎直方向移動(dòng)叫掃描.電子束從最上一行到最下一行掃描一遍叫做一場(chǎng),電視機(jī)中每秒要進(jìn)行50場(chǎng)掃描. 1.如圖3-3-1所示,如果在電子射線管上方平行于管軸放置一根載流導(dǎo)線,電流方向如圖所示,電子射線將朝什么方向偏轉(zhuǎn)?電流反向后情況會(huì)如何?想一想:為什么禁止將磁鐵靠近正在播放節(jié)目的電視機(jī)? 圖3-3-1 【答案】 向下偏轉(zhuǎn) 向上偏轉(zhuǎn) 電視機(jī)顯像是靠電子轟擊熒光屏產(chǎn)生的,磁場(chǎng)將影響電子運(yùn)動(dòng)的軌跡,影響圖象質(zhì)量. 2.顯像管是電視機(jī)中的一

4、個(gè)重要元件,如圖3-3-2所示為電視機(jī)顯像管的偏轉(zhuǎn)線圈示意圖,圓心黑點(diǎn)表示電子槍射出的電子,它的方向由紙內(nèi)指向紙外.當(dāng)偏轉(zhuǎn)線圈通以圖示方向的電流時(shí),電子束應(yīng)(  ) 圖3-3-2 A.向左偏轉(zhuǎn)   B.向上偏轉(zhuǎn) C.不偏轉(zhuǎn) D.向下偏轉(zhuǎn) 【解析】 偏轉(zhuǎn)線圈N極在右,S極在左,磁場(chǎng)方向向左,用左手定則,四指指向電子運(yùn)動(dòng)的反方向即可判斷. 【答案】 B  磁 偏 轉(zhuǎn) 與 磁 流 體 發(fā) 電 機(jī) 1.磁流體發(fā)電機(jī)的構(gòu)造:由等離子源、磁極和兩個(gè)極板三部分構(gòu)成. 2.磁流體發(fā)電機(jī)的原理:等離子源中產(chǎn)生的高溫等離子導(dǎo)電氣體穿過(guò)磁場(chǎng)的發(fā)電通道時(shí),受洛倫茲力作用,正、負(fù)離子分別

5、向兩個(gè)極板偏轉(zhuǎn),兩個(gè)極板接收到帶電離子后形成電勢(shì)差,當(dāng)兩個(gè)極板與外電路形成閉合電路時(shí),電路中就產(chǎn)生了電流. 1.磁流體發(fā)電機(jī)與火力發(fā)電機(jī)相比,大大提高了能量的轉(zhuǎn)化效率.(√) 2.目前我國(guó)已大量利用磁流體發(fā)電.(×) 3.兩極板間電壓只與離子入射速度有關(guān).(×) 1.裝置 如圖3-3-3所示,A、B為兩個(gè)極板,極板間有勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁場(chǎng)方向向外,等離子束穿過(guò)磁場(chǎng),根據(jù)左手定則可以判斷,正電荷偏向B極,負(fù)電荷偏向A極. 圖3-3-3 2.原理 正、負(fù)離子被極板吸收后,接收正離子的極板B帶正電,接收負(fù)離子的極板A帶負(fù)電,兩極板間產(chǎn)生了電場(chǎng),電場(chǎng)的出現(xiàn)阻礙了離子的進(jìn)一步偏轉(zhuǎn),

6、此后的離子受到兩個(gè)力的作用:電場(chǎng)力和洛倫茲力,當(dāng)這兩個(gè)力平衡時(shí),離子不再偏轉(zhuǎn),極板間的電壓達(dá)到穩(wěn)定. 3.電壓 設(shè)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度為v,帶電荷量為q,磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,極板間距離為d,極板間電壓為U,據(jù)FB=Fe,有qvB=qE=,得U=Bdv. 3.(多選)目前世界上正研究的一種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)電機(jī),如圖3-3-4所示它的發(fā)電原理:將一束等離子體(即高溫下電離的氣體,含有大量帶正電和帶負(fù)電的微粒,而從整體來(lái)說(shuō)呈中性)沿圖中所示方向噴射入磁場(chǎng),磁場(chǎng)中有兩塊金屬板A、B,這時(shí)金屬板上就聚集了電荷.在磁極配置如圖所示的情況下,下述說(shuō)法正確的是(  ) 圖3-3-4 A.

7、A板帶正電 B.有電流從b經(jīng)用電器流向a C.金屬板A、B間的電場(chǎng)方向向下 D.等離子體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原因是離子所受洛倫茲力大于所受電場(chǎng)力 【解析】 由左手定則判定B板帶正電,故A、C錯(cuò)誤,B正確.離子偏轉(zhuǎn)的原因是離子受洛倫茲力大于所受電場(chǎng)力,故D正確. 【答案】 BD 4.如圖3-3-5所示是等離子體發(fā)電機(jī)的示意圖,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,兩板間距離為d,要使輸出電壓為U,則等離子的速度v為_(kāi)_______,a是電源的________極. 【導(dǎo)學(xué)號(hào):18152071】 圖3-3-5 【解析】 由qvB=q 得v=, 由左手定則知正電荷向上偏,所以a端是電源的正極. 【答案】  

8、正 這是一類(lèi)聯(lián)系實(shí)際的問(wèn)題,要明確發(fā)電機(jī)的工作原理,綜合運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí),利用共點(diǎn)力的平衡進(jìn)行求解.解決此類(lèi)復(fù)合場(chǎng)問(wèn)題時(shí),正確地對(duì)物體進(jìn)行受力分析是關(guān)鍵. 磁 偏 轉(zhuǎn) 與 回 旋 加 速 器 1.回旋加速器的構(gòu)造:如圖3-3-6所示,D1,D2是半圓金屬扁盒,D形盒的縫隙處接高頻交流電源.D形盒處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中. 圖3-3-6 2.回旋加速器的原理:交流電周期和粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期相同,粒子在圓周運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中一次一次地經(jīng)過(guò)D形盒縫隙,兩盒間的電勢(shì)差一次一次地反向,粒子就會(huì)被一次一次地加速. 1.帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)可獲得能量.(×) 2.帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中

9、做圓周運(yùn)動(dòng)的周期與速度大小無(wú)關(guān).(√) 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)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T=.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. 1.回旋加速器:美國(guó)科學(xué)家勞倫斯于1932年制成了第一臺(tái)回旋加速器,其結(jié)構(gòu)如圖3-3-7所示,核心部件為兩個(gè)D形盒(加勻強(qiáng)磁場(chǎng)),其間的狹縫加加速電場(chǎng). 圖3-3-7 2.磁場(chǎng)的作用:帶電粒子以某一速度從D形盒中心附近垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后,在洛倫茲力的作用

10、下做勻速圓周運(yùn)動(dòng),帶電粒子每次進(jìn)入D形盒都運(yùn)動(dòng)相等的時(shí)間(半個(gè)周期)后平行電場(chǎng)方向進(jìn)入狹縫的電場(chǎng).帶電粒子被加速后在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑增大,但周期卻不變.(如圖3-3-8所示) 圖3-3-8 3.電場(chǎng)的作用:回旋加速器的兩個(gè)D形盒之間的狹縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩個(gè)D形盒正對(duì)截面的勻強(qiáng)電場(chǎng),帶電粒子經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)被加速. 4.加速電壓的作用:為保證粒子每次經(jīng)過(guò)狹縫時(shí)都被加速,使之能量不斷提高,需在狹縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的加速電壓. 5.(多選)關(guān)于回旋加速器加速帶電粒子所獲得的能量,下列提供的選項(xiàng)正確的是(  ) A.與加速器的半徑有關(guān),

11、半徑越大,能量越大 B.與加速器的磁場(chǎng)有關(guān),磁場(chǎng)越強(qiáng),能量越大 C.與加速器的電場(chǎng)有關(guān),電場(chǎng)越強(qiáng),能量越大 D.與帶電粒子的質(zhì)量與電荷量均有關(guān),質(zhì)量和電荷量越大,能量越大 【解析】 帶電粒子在回旋加速器中最終獲得的動(dòng)能為Ek,由qvB=m推得r=,所以Ek=,所以該能量與半徑有關(guān),半徑越大,能量越大,所以選項(xiàng)A正確.同理與磁場(chǎng)也有關(guān),選項(xiàng)B正確.雖然與質(zhì)量和電荷量有關(guān),但是質(zhì)量和電荷量越大,能量卻不一定越大,所以選項(xiàng)D錯(cuò)誤.因?yàn)樵撃芰颗c電場(chǎng)無(wú)關(guān),所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤. 【答案】 AB 6.(多選)用回旋加速器來(lái)加速質(zhì)子,為了使質(zhì)子獲得的動(dòng)能增加為原來(lái)的4倍,原則上可采用下列哪幾種方法( 

12、 ) 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形金屬盒的半徑增大為原來(lái)的2倍 D.將D形金屬盒的半徑增大為原來(lái)的4倍 【解析】 由公式qvB=m,得v=,動(dòng)能增加為原來(lái)的4倍,速率增加為原來(lái)的2倍.故A、C正確. 【答案】 AC 7.如圖3-3-9所示,回旋加速器由兩個(gè)D形盒組成,在D形盒的縫隙處加加速電壓,整個(gè)裝置處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中.從O點(diǎn)射入的帶電粒子經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速和磁偏轉(zhuǎn),反復(fù)運(yùn)動(dòng),最終可以從邊緣由導(dǎo)出裝置導(dǎo)出.已知加速電壓的頻率等于粒子在磁場(chǎng)中回旋的頻率.試討論:粒子射出時(shí)速度vm的大小由哪些因素決定? 【導(dǎo)學(xué)號(hào):18152072】 圖3-3-9 【解析】 只要粒子從D形盒邊緣被導(dǎo)出,那么,它最后半周應(yīng)滿足qvmB=,即vm=, 可見(jiàn)粒子射出時(shí)的最大速度vm與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B以及D形盒的半徑R有關(guān),而與加速電壓U的大小無(wú)關(guān)(U≠0). 【答案】 見(jiàn)解析 回旋加速器相關(guān)問(wèn)題主要抓住兩點(diǎn):一是旋轉(zhuǎn)頻率等于加速電壓的頻率,二是射出速度vm,由R=得vm=(R為D形盒半徑). 7

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