2018年高中物理 第三章 磁場(chǎng)《洛倫茲力的應(yīng)用》參考課件 教科版選修3-1.ppt

第五節(jié)洛倫茲力的應(yīng)用,核心要點(diǎn)突破,課堂互動(dòng)講練,知能優(yōu)化訓(xùn)練,第五節(jié)洛倫茲力的應(yīng)用,課前自主學(xué)案,課標(biāo)定位 學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.知道洛倫茲力只改變帶電粒子速度方向，不改變其速度大小 2知道質(zhì)譜儀和回旋加速器的構(gòu)造和原理 重點(diǎn)難點(diǎn)：質(zhì)譜儀和回旋加速器的原理和應(yīng)用,課前自主學(xué)案,B,v0,圖351,2特點(diǎn)：只改變帶電粒子的_，不改變帶電粒子的_ 二、質(zhì)譜儀和回旋加速器 1質(zhì)譜儀 (1)原理圖：如圖352,圖352,運(yùn)動(dòng)方向,速度大小,qU,qvB,質(zhì)量m,質(zhì)量,同位素,2回旋加速器 (1)構(gòu)造圖：如圖353,圖353,回旋加速器的核心部件是兩個(gè)_.,D形盒,不變,核心要點(diǎn)突破,一、質(zhì)譜儀工作原理的理解 質(zhì)譜儀是利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)控制電荷運(yùn)動(dòng)的精密儀器，它是測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具其結(jié)構(gòu)如圖354甲所示，容器A中含有電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的帶電粒子經(jīng)過(guò)S1和S2之間的電場(chǎng)加速，它們進(jìn)入磁場(chǎng)將沿著不同的半徑做圓周運(yùn)動(dòng)，打到照相底片的不同地方，在底片上形成若干譜線狀的細(xì)條，叫做質(zhì)譜線每一條譜線對(duì)應(yīng)于一定的質(zhì)量從譜線的位置可以知道圓周的半徑，如果再已知帶電粒子的電荷量，就可以算出它的質(zhì)量，這種儀器叫做質(zhì)譜儀,圖354,即時(shí)應(yīng)用(即時(shí)突破，小試牛刀) 1.如圖355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(),圖355,A質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具 B速度選擇器中的磁場(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粒子打在膠片上的位置越來(lái)越靠近狹縫P，粒子的荷質(zhì)比越小,二、對(duì)回旋加速器的正確認(rèn)識(shí) 1回旋加速器的原理 回旋加速器的工作原理如圖356所示放在A0處的粒子源發(fā)出一個(gè)帶正電的粒子，它以某一速率v0垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)半個(gè)周期，當(dāng)它沿著半圓A0A1時(shí)，我們?cè)贏1A1處設(shè)置一個(gè)向上的電場(chǎng)，使這個(gè)帶電粒子在A1A1處受到一次電場(chǎng)的加速，速率由v0增加到v1，然后粒子以速率v1在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),圖356,我們知道，粒子的軌道半徑跟它的速率成正比，因而粒子將沿著增大了的圓周運(yùn)動(dòng)又經(jīng)過(guò)半個(gè)周期，當(dāng)它沿著半圓弧A1A2到達(dá)A2時(shí)，我們?cè)贏2A2處設(shè)置一個(gè)向下的電場(chǎng)，使粒子又一次受到電場(chǎng)的加速，速率增加到v2.如此繼續(xù)下去，每當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)到A1A1、A3A3等處時(shí)都使它受到一個(gè)向上電場(chǎng)的加速，每當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)到A2A2、A4A4等處時(shí)都使它受到一個(gè)向下電場(chǎng)的加速，那么，粒子將沿著圖示的螺旋線回旋下去，速率將一步一步地增大,特別提醒：由上式可以看出，要使粒子射出的動(dòng)能Ekm增大，就要使磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B以及D形盒的半徑R增大，而與加速電壓U的大小無(wú)關(guān)(U0),即時(shí)應(yīng)用(即時(shí)突破，小試牛刀) 2.回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電極相連接的兩個(gè)D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的電場(chǎng)，使粒子在通過(guò)狹縫時(shí)都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖357所示，要增大帶電粒子射出時(shí)的動(dòng)能，則下列說(shuō)法中正確的是(),圖357,A增大勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓 B增大磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 C減小狹縫間的距離 D增大D形金屬盒的半徑,三、帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的分析方法和思路 1弄清復(fù)合場(chǎng)的組成一般有磁場(chǎng)、電場(chǎng)的復(fù)合，磁場(chǎng)、重力場(chǎng)的復(fù)合，磁場(chǎng)、電場(chǎng)、重力場(chǎng)三者的復(fù)合 2正確進(jìn)行受力分析，除重力、彈力、摩擦力外要特別注意靜電力和磁場(chǎng)力的分析 3確定帶電粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，注意運(yùn)動(dòng)情況和受力情況的結(jié)合 4對(duì)于粒子連續(xù)通過(guò)幾個(gè)不同情況的場(chǎng)的問(wèn)題，要分階段進(jìn)行處理,5畫(huà)出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，靈活選擇不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 (1)當(dāng)帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)受力平衡列方程求解 (2)當(dāng)帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)用牛頓定律結(jié)合圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律求解 (3)當(dāng)帶電粒子做復(fù)雜曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般用動(dòng)能定理或能量守恒定律求解 (4)對(duì)于臨界問(wèn)題，注意挖掘隱含條件,特別提醒：(1)電子、質(zhì)子、粒子等一般不計(jì)重力，帶電小球、塵埃、液滴等帶電顆粒一般要考慮重力的作用 (2)注意重力、電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)，洛倫茲力始終和運(yùn)動(dòng)方向垂直、永不做功的特點(diǎn),即時(shí)應(yīng)用(即時(shí)突破，小試牛刀) 3(杭州高二檢測(cè))一個(gè)帶電粒子以初速度v0垂直于電場(chǎng)方向向右射入勻強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，穿出電場(chǎng)后接著又進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域設(shè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)區(qū)域有明確的分界線，且分界線與電場(chǎng)強(qiáng)度方向平行，如圖358中的虛線表示在圖所示的幾種情況中，可能出現(xiàn)的是(),圖358,解析：選AD.A、C選項(xiàng)中粒子在電場(chǎng)中向下偏轉(zhuǎn)，所以粒子帶正電，再進(jìn)入磁場(chǎng)后，A圖中粒子應(yīng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)，正確C圖中粒子應(yīng)順時(shí)針轉(zhuǎn)，錯(cuò)誤同理可以判斷B錯(cuò)，D對(duì),課堂互動(dòng)講練,如圖359所示，一束電子(電荷量為e)以速度v垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B、寬度為d的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，穿透磁場(chǎng)時(shí)速度方向與原來(lái)入射方向的夾角是30，則電子的質(zhì)量是_，穿透磁場(chǎng)的時(shí)間是_,圖359,【思路點(diǎn)撥】由于洛倫茲力總是垂直于速度方向，若已知帶電粒子的任意兩個(gè)速度方向，就可以通過(guò)作出兩速度的垂線，找出兩垂線的交點(diǎn)即為帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心,變式訓(xùn)練1如圖3510所示，在圓形區(qū)域里，有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，方向如圖所示，有一束速率各不相同的質(zhì)子自A點(diǎn)沿半徑方向射入磁場(chǎng)，這些質(zhì)子在磁場(chǎng)中() A運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)的，其軌跡所對(duì)應(yīng)的圓心角越大 B運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)的，其軌跡越長(zhǎng) C運(yùn)動(dòng)時(shí)間越短的，射出磁場(chǎng)時(shí)，速率越小 D運(yùn)動(dòng)時(shí)間越短的，射出磁場(chǎng)時(shí)，速度方向偏轉(zhuǎn)越小,圖3510,如圖3511所示是測(cè)量帶電粒子質(zhì)量的儀器的工作原理示意圖設(shè)法將某有機(jī)化合物的氣態(tài)分子導(dǎo)入圖中所示的容器A中，使它受到電子束轟擊，失去一個(gè)電子變成正一價(jià)的分子離子分子離子從狹縫S1以很小的速度進(jìn)入電壓為U的加速電場(chǎng)區(qū)(初速不計(jì))，加速后，再通過(guò)狹縫S2、S3射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，方向垂直于磁場(chǎng)區(qū)的界面PQ.最后，分子離子打到感光片上，形成垂直于紙面而且平行于狹縫S3的細(xì)線若測(cè)得細(xì)線到狹縫S3的距離為d，導(dǎo)出分子離子的質(zhì)量m的表達(dá)式,圖3511,【思路點(diǎn)撥】電場(chǎng)中粒子做加速運(yùn)動(dòng)，速度選擇器則可以使通過(guò)S3的粒子具有相同的速度，磁場(chǎng)中帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)，經(jīng)半個(gè)周期打到感光片上,【規(guī)律總結(jié)】熟練掌握帶電粒子在電場(chǎng)中加速和磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的公式，才能較好地解決題目,變式訓(xùn)練2如圖3512為質(zhì)譜儀的示意圖速度選擇部分的勻強(qiáng)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)E1.2105 V/m，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B10.6 T偏轉(zhuǎn)分離器的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B20.8 T求： (1)能通過(guò)速度選擇器的粒子速度有多大？ (2)質(zhì)子和氘核進(jìn)入偏轉(zhuǎn)分離器后打在底片上的條紋之間的距離d為多少？,圖3512,答案：(1)2105 m/s(2)5.2103 m,回旋加速器是用來(lái)加速帶電粒子使它獲得很大動(dòng)能的儀器，其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相連，以便在盒間的窄縫中形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，使粒子每次穿過(guò)窄縫都得到加速，兩盒放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子源射出的粒子電荷量為q，質(zhì)量為m，粒子最大回旋半徑為Rm，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3513所示，問(wèn)：,(1)盒中有無(wú)電場(chǎng)？ (2)粒子在盒內(nèi)做何種運(yùn)動(dòng)？ (3)所加交流電頻率應(yīng)是多大，粒子角速度為多大？ (4)粒子離開(kāi)加速器時(shí)速度是多大，最大動(dòng)能為多少？ (5)設(shè)兩D形盒間電場(chǎng)的電勢(shì)差為U，求加速到上述能量所需的時(shí)間(不計(jì)粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間),圖3513,【規(guī)律總結(jié)】求解此題應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： (1)交流電的周期與粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期相同回旋加速器才能正常工作 (2)根據(jù)勻速圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)求出粒子最大速度的表達(dá)式，再據(jù)此判斷它與何物理量有關(guān),變式訓(xùn)練3(吉林市高二檢測(cè))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,