洛伦兹力的应用课件

洛洛伦兹力的应用伦兹力的应用核心要点突破核心要点突破课堂互动讲练课堂互动讲练知能优化训练知能优化训练第第五五节节洛洛伦伦兹兹力力的的应应用用课前自主学案课前自主学案课标定位课标定位学习目标：学习目标：1.知道洛伦兹力只改变带电粒子速知道洛伦兹力只改变带电粒子速度方向，不改变其速度大小度方向，不改变其速度大小2知道质谱仪和回旋加速器的构造和原理知道质谱仪和回旋加速器的构造和原理重点难点：质谱仪和回旋加速器的原理和应重点难点：质谱仪和回旋加速器的原理和应用用课前自主学案课前自主学案Bv0图图3512特点：只改变带电粒子的特点：只改变带电粒子的_，不，不改变带电粒子的改变带电粒子的_二、质谱仪和回旋加速器二、质谱仪和回旋加速器1质谱仪质谱仪(1)原理图：如图原理图：如图352图图352运动方向运动方向速度大小速度大小qUqvB质量质量m质量质量同位素同位素2回旋加速器回旋加速器(1)构造图：如图构造图：如图353图图353回旋加速器的核心部件是两个回旋加速器的核心部件是两个_.D形盒形盒不变不变核心要点突破核心要点突破一、质谱仪工作原理的理解一、质谱仪工作原理的理解质谱仪是利用电场和磁场控制电荷运动的精密仪质谱仪是利用电场和磁场控制电荷运动的精密仪器，它是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要器，它是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具其结构如图工具其结构如图354甲所示，容器甲所示，容器A中含有电中含有电荷量相同而质量有微小差别的带电粒子经过荷量相同而质量有微小差别的带电粒子经过S1和和S2之间的电场加速，它们进入磁场将沿着不同的半之间的电场加速，它们进入磁场将沿着不同的半径做圆周运动，打到照相底片的不同地方，在底片径做圆周运动，打到照相底片的不同地方，在底片上形成若干谱线状的细条，叫做质谱线每一条谱上形成若干谱线状的细条，叫做质谱线每一条谱线对应于一定的质量从谱线的位置可以知道圆周线对应于一定的质量从谱线的位置可以知道圆周的半径，如果再已知带电粒子的电荷量，就可以算的半径，如果再已知带电粒子的电荷量，就可以算出它的质量，这种仪器叫做质谱仪出它的质量，这种仪器叫做质谱仪图图354即时应用即时应用(即时突破，小试牛刀即时突破，小试牛刀)1.如图如图355是质谱仪的工作原理示意图带是质谱仪的工作原理示意图带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器，速电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器，速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为度分别为B和和E.平板平板S上有可让粒子通过的狭缝上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片和记录粒子位置的胶片A1A2.平板平板S下方有强度为下方有强度为B0的匀强磁场下列表述正确的是的匀强磁场下列表述正确的是()图图355A质谱仪是分析同位素的重要工具质谱仪是分析同位素的重要工具B速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外C能通过狭缝能通过狭缝P的带电粒子的速率等于的带电粒子的速率等于E/BD粒子打在胶片上的位置越来越靠近狭缝粒子打在胶片上的位置越来越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小粒子的荷质比越小二、对回旋加速器的正确认识二、对回旋加速器的正确认识1回旋加速器的原理回旋加速器的原理回旋加速器的工作原理如图回旋加速器的工作原理如图356所示放在所示放在A0处的粒子源发出一个带正电的粒子，它以某一速率处的粒子源发出一个带正电的粒子，它以某一速率v0垂直进入匀强磁场中，在磁场中做匀速圆周运垂直进入匀强磁场中，在磁场中做匀速圆周运动经过半个周期，当它沿着半圆动经过半个周期，当它沿着半圆A0A1时，我们在时，我们在A1A1处设置一个向上的电场，使这个带电粒子在处设置一个向上的电场，使这个带电粒子在A1A1处受到一次电场的加速，速率由处受到一次电场的加速，速率由v0增加到增加到v1，然后粒子以速率然后粒子以速率v1在磁场中做匀速圆周运动在磁场中做匀速圆周运动图图356我们知道，粒子的轨道半径跟它的速率成正比，我们知道，粒子的轨道半径跟它的速率成正比，因而粒子将沿着增大了的圆周运动又经过半个因而粒子将沿着增大了的圆周运动又经过半个周期，当它沿着半圆弧周期，当它沿着半圆弧A1A2到达到达A2时，我时，我们在们在A2A2处设置一个向下的电场，使粒子又一处设置一个向下的电场，使粒子又一次受到电场的加速，速率增加到次受到电场的加速，速率增加到v2.如此继续下去，如此继续下去，每当粒子运动到每当粒子运动到A1A1、A3A3等处时都使它受等处时都使它受到一个向上电场的加速，每当粒子运动到到一个向上电场的加速，每当粒子运动到A2A2、A4A4等处时都使它受到一个向下电场的加速，等处时都使它受到一个向下电场的加速，那么，粒子将沿着图示的螺旋线回旋下去，速率那么，粒子将沿着图示的螺旋线回旋下去，速率将一步一步地增大将一步一步地增大特别提醒：特别提醒：由上式可以看出，要使粒子射出由上式可以看出，要使粒子射出的动能的动能Ekm增大，就要使磁场的磁感应强度增大，就要使磁场的磁感应强度B以及以及D形盒的半径形盒的半径R增大，而与加速电压增大，而与加速电压U的的大小无关大小无关(U0)即时应用即时应用(即时突破，小试牛刀即时突破，小试牛刀)2.回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电极相连接的两个分是分别与高频交流电极相连接的两个D形金属形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图357所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确的是法中正确的是()图图357A增大匀强电场间的加速电压增大匀强电场间的加速电压B增大磁场的磁感应强度增大磁场的磁感应强度C减小狭缝间的距离减小狭缝间的距离D增大增大D形金属盒的半径形金属盒的半径三、带电粒子在复合场中运动的分析方法和思路三、带电粒子在复合场中运动的分析方法和思路1弄清复合场的组成一般有磁场、电场的复弄清复合场的组成一般有磁场、电场的复合，磁场、重力场的复合，磁场、电场、重力场合，磁场、重力场的复合，磁场、电场、重力场三者的复合三者的复合2正确进行受力分析，除重力、弹力、摩擦力正确进行受力分析，除重力、弹力、摩擦力外要特别注意静电力和磁场力的分析外要特别注意静电力和磁场力的分析3确定带电粒子的运动状态，注意运动情况和确定带电粒子的运动状态，注意运动情况和受力情况的结合受力情况的结合4对于粒子连续通过几个不同情况的场的问题，对于粒子连续通过几个不同情况的场的问题，要分阶段进行处理要分阶段进行处理5画出粒子的运动轨迹，灵活选择不同的运画出粒子的运动轨迹，灵活选择不同的运动规律动规律(1)当带电粒子在复合场中做匀速直线运动时，当带电粒子在复合场中做匀速直线运动时，根据受力平衡列方程求解根据受力平衡列方程求解(2)当带电粒子在复合场中做匀速圆周运动时，当带电粒子在复合场中做匀速圆周运动时，应用牛顿定律结合圆周运动规律求解应用牛顿定律结合圆周运动规律求解(3)当带电粒子做复杂曲线运动时，一般用动能当带电粒子做复杂曲线运动时，一般用动能定理或能量守恒定律求解定理或能量守恒定律求解(4)对于临界问题，注意挖掘隐含条件对于临界问题，注意挖掘隐含条件特别提醒：特别提醒：(1)电子、质子、电子、质子、粒子等一般不计粒子等一般不计重力，带电小球、尘埃、液滴等带电颗粒一般重力，带电小球、尘埃、液滴等带电颗粒一般要考虑重力的作用要考虑重力的作用(2)注意重力、电场力做功与路径无关，洛伦兹注意重力、电场力做功与路径无关，洛伦兹力始终和运动方向垂直、永不做功的特点力始终和运动方向垂直、永不做功的特点即时应用即时应用(即时突破，小试牛刀即时突破，小试牛刀)3(杭州高二检测杭州高二检测)一个带电粒子以初速度一个带电粒子以初速度v0垂垂直于电场方向向右射入匀强电场区域，穿出电场直于电场方向向右射入匀强电场区域，穿出电场后接着又进入匀强磁场区域设电场和磁场区域后接着又进入匀强磁场区域设电场和磁场区域有明确的分界线，且分界线与电场强度方向平行，有明确的分界线，且分界线与电场强度方向平行，如图如图358中的虚线表示在图所示的几种情中的虚线表示在图所示的几种情况中，可能出现的是况中，可能出现的是()图图358解析：解析：选选AD.A、C选项中粒子在电场中向下偏选项中粒子在电场中向下偏转，所以粒子带正电，再进入磁场后，转，所以粒子带正电，再进入磁场后，A图中图中粒子应逆时针转，正确粒子应逆时针转，正确C图中粒子应顺时针图中粒子应顺时针转，错误同理可以判断转，错误同理可以判断B错，错，D对对课堂互动讲练课堂互动讲练带电粒子在有界磁场中的运动带电粒子在有界磁场中的运动 如图如图359所示，一束电子所示，一束电子(电荷量为电荷量为e)以速度以速度v垂直射入磁感应强度为垂直射入磁感应强度为B、宽度为、宽度为d的匀的匀强磁场中，穿透磁场时速度方向与原来入射方向强磁场中，穿透磁场时速度方向与原来入射方向的夹角是的夹角是30，则电子的质量是，则电子的质量是_，穿透，穿透磁场的时间是磁场的时间是_图图359【思路点拨】【思路点拨】由于洛伦兹力总是垂直于速度由于洛伦兹力总是垂直于速度方向，若已知带电粒子的任意两个速度方向，方向，若已知带电粒子的任意两个速度方向，就可以通过作出两速度的垂线，找出两垂线的就可以通过作出两速度的垂线，找出两垂线的交点即为带电粒子做圆周运动的圆心交点即为带电粒子做圆周运动的圆心变式训练变式训练1如图如图3510所示，在圆形区域所示，在圆形区域里，有匀强磁场，方向如图所示，有一束速率里，有匀强磁场，方向如图所示，有一束速率各不相同的质子自各不相同的质子自A点沿半径方向射入磁场，点沿半径方向射入磁场，这些质子在磁场中这些质子在磁场中()A运动时间越长的，其轨迹所对应的圆心角运动时间越长的，其轨迹所对应的圆心角越大越大B运动时间越长的，其轨迹越长运动时间越长的，其轨迹越长C运动时间越短的，射出磁场时，速率越小运动时间越短的，射出磁场时，速率越小D运动时间越短的，射出磁场时，速度方向运动时间越短的，射出磁场时，速度方向偏转越小偏转越小图图3510对质谱仪的理解和应用对质谱仪的理解和应用 如图如图3511所示是测量带电粒子质量的仪所示是测量带电粒子质量的仪器的工作原理示意图设法将某有机化合物的气态器的工作原理示意图设法将某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器分子导入图中所示的容器A中，使它受到电子束轰中，使它受到电子束轰击，失去一个电子变成正一价的分子离子分子离击，失去一个电子变成正一价的分子离子分子离子从狭缝子从狭缝S1以很小的速度进入电压为以很小的速度进入电压为U的加速电场的加速电场区区(初速不计初速不计)，加速后，再通过狭缝，加速后，再通过狭缝S2、S3射入磁感射入磁感应强度为应强度为B的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQ.最后，分子离子打到感光片上，形成垂直于纸最后，分子离子打到感光片上，形成垂直于纸面而且平行于狭缝面而且平行于狭缝S3的细线若测得细线到狭缝的细线若测得细线到狭缝S3的距离为的距离为d，导出分子离子的质量，导出分子离子的质量m的表达式的表达式图图3511【思路点拨】【思路点拨】电场中粒子做加速运动，速电场中粒子做加速运动，速度选择器则可以使通过度选择器则可以使通过S3的粒子具有相同的的粒子具有相同的速度，磁场中带电粒子做圆周运动，经半个速度，磁场中带电粒子做圆周运动，经半个周期打到感光片上周期打到感光片上【规律总结】【规律总结】熟练掌握带电粒子在电场熟练掌握带电粒子在电场中加速和磁场中做匀速圆周运动的公式，中加速和磁场中做匀速圆周运动的公式，才能较好地解决题目才能较好地解决题目变式训练变式训练2如图如图3512为质谱仪的示意为质谱仪的示意图速度选择部分的匀强电场场强图速度选择部分的匀强电场场强E1.2105 V/m，匀强磁场的磁感应强度为，匀强磁场的磁感应强度为B10.6 T偏偏转分离器的磁感应强度为转分离器的磁感应强度为B20.8 T求：求：(1)能通过速度选择器的粒子速度有多大？能通过速度选择器的粒子速度有多大？(2)质子和氘核进入偏转分离器后打在底片上的质子和氘核进入偏转分离器后打在底片上的条纹之间的距离条纹之间的距离d为多少？为多少？图图3512答案：答案：(1)2105 m/s(2)5.2103 m回旋加速器的应用回旋加速器的应用 回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的仪器，其核心部分是两个很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属盒，形金属盒，两盒分别和一高频交流电源两极相连，以便在盒两盒分别和一高频交流电源两极相连，以便在盒间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝都得到加速，两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂都得到加速，两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子电荷量为源射出的粒子电荷量为q，质量为，质量为m，粒子最大回，粒子最大回旋半径为旋半径为Rm，其运动轨迹如图，其运动轨迹如图3513所示，问：所示，问：(1)盒中有无电场？盒中有无电场？(2)粒子在盒内做何种运动？粒子在盒内做何种运动？(3)所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？(4)粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多少？少？(5)设两设两D形盒间电场的电势差为形盒间电场的电势差为U，求加速到上述，求加速到上述能量所需的时间能量所需的时间(不计粒子在电场中运动的时间不计粒子在电场中运动的时间)图图3513【规律总结】【规律总结】求解此题应注意以下两点：求解此题应注意以下两点：(1)交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相同回旋加速器才能正常工作同回旋加速器才能正常工作(2)根据匀速圆周运动知识求出粒子最大速度根据匀速圆周运动知识求出粒子最大速度的表达式，再据此判断它与何物理量有关的表达式，再据此判断它与何物理量有关变式训练变式训练3(吉林市高二检测吉林市高二检测)用回旋加速器用回旋加速器来加速质子，为了使质子获得的动能增加为来加速质子，为了使质子获得的动能增加为原来的原来的4倍，原则上可以采用下列哪几种方法倍，原则上可以采用下列哪几种方法()A将其磁感应强度增大为原来的将其磁感应强度增大为原来的2倍倍B将其磁感应强度增大为原来的将其磁感应强度增大为原来的4倍倍C将将D形盒的半径增大为原来的形盒的半径增大为原来的2倍倍D将将D形盒的半径增大为原来的形盒的半径增大为原来的4倍倍