高中物理选修3-1第1部分 第三章《磁场》第5节 洛伦兹力的应用 教科

欢迎进入物理课堂 第三章 第5节 理解教材新知 把握热点考向 应用创新演练 知识点一 知识点二 知识点三 考向一 考向三 随堂基础巩固 课时跟踪训练 考向二 1 带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用 利用磁场可以控制带电粒子的运动方向 但不能改变带电粒子的速度大小 2 回旋加速器由两个D形盒组成 带电粒子在D形盒中做圆周运动 每次在两D形盒之间的窄缝区域被电场加速 加速电场的周期与粒子运动周期相同 3 质谱仪把比荷不相等的粒子分开 并按比荷顺序的大小排列 故称之为 质谱 自学教材 1 实例如图3 5 1所示为一具有圆形边界 半径为r的匀强磁场 磁感应强度大小为B 一个初速度大小为v0的带电粒子 m q 沿该磁场的直径方向从P点射入 在作用下从Q点离开磁场 图3 5 1 洛伦兹力 圆心 B v0 方向 大小 重点诠释 1 电偏转和磁偏转 1 电偏转 利用电场对运动电荷施加电场力作用 从而控制其运动方向 2 磁偏转 利用磁场对运动电荷施加洛伦兹力作用 从而控制其运动方向 2 电偏转和磁偏转的对比 1 2012 新泰高二检测 一个带电粒子以初速度v0垂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 设电场和磁场区域有明确的分界线 且分界线与电场强度方向平行 如图3 5 2中的虚线所示 不计带电粒子的重力 在图3 5 2所示的几种情况中 可能出现的是 图3 5 2 解析 A C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 A图中粒子应逆时针转 正确 C图中粒子应顺时针转 错误 同理可以判断B错 D对 答案 AD 自学教材 1 比荷带电粒子的电荷量与质量之比 也叫 2 质谱仪测定带电粒子的仪器 荷质比 荷质比 3 构造如图3 5 3所示 主要由离子源 S1上方 图中未画出 加速电场 狭缝S1与S2之间的电场 速度选择器 S2与S3之间的装置 偏转磁场B2和照相底片等组成 图3 5 3 重点诠释 2 2012 温州高二检测 如图3 5 4所示 在M N两极板间有相互正交的匀强电场和匀强磁场 一束离子沿平行于极板方向进入两板间沿直线运动 然后进入磁感应强度为B 的偏转磁场内做半径相同的匀速圆周运动 则这束离子必定具有相同的 图3 5 4 A 速度B 电性C 质量D 比荷 答案 AD 1 构造 1 核心部分 两个D形盒 中间留有窄缝 装在巨大电磁铁之间的真空容器里 如图3 5 5所示 自学教材 2 粒子源 放于窄缝中心附近 3 磁场 方向垂直于金属盒底面 4 电场 两盒分别接在周期性变化的交流电源的两极上 窄缝中形成方向可变的加速电场 方向垂直于窄缝 图3 5 5 2 工作原理如图3 5 6所示 1 磁场作用 带电粒子磁场方向射入磁场时 只在洛伦兹力作用下做 其周期与和无关 2 交变电压的作用 在两D形盒狭缝间产生周期性变化的 使带电粒子每经过一次狭缝加速一次 3 交变电压的周期 或频率 与带电粒子在磁场中做圆周运动的周期 或频率 图3 5 6 垂直 匀速圆周运动 半径 速率 电场 相同 重点诠释 3 1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器 其原理如图3 5 7所示 这台加速器由两个铜质D形盒D1 D2构成 其间留有空隙 下列说法正确的是 A 离子由加速器的中心附近进入加速器B 离子由加速器的边缘进入加速器C 离子从磁场中获得能量D 离子从电场中获得能量 图3 5 7 解析 离子从中心附近进入回旋加速器 通过电场加速做功 在磁场中偏转 最后高速飞出加速器 故A D正确 答案 AD 例1 如图3 5 8所示 匀强电场区域和匀强磁场区域是紧邻的 且宽度相等均为d 电场方向在纸平面内 而磁场方向垂直纸面向里 一带正电粒子从O点以速度v0沿垂直电场方向进入电场 在电场力的作用下发生偏转 从A点离开电场进入磁场 离开电场时带电粒子在电场方向的位移为电场宽度的一半 当粒子从C点穿出磁场时速度方向与进入电场O点时的速度方向一致 带电粒子重力不计 求 图3 5 8 1 粒子从C点穿出磁场时的速度v 2 电场强度E和磁感应强度B的比值E B 3 粒子在电 磁场中运动的总时间 审题指导 解答本题时应注意以下两点 1 粒子在电场中做类平抛运动 2 粒子在磁场中做匀速圆周运动 1 对于带电粒子在电场中做类平抛运动问题 一般从分析沿电场方向的匀加速直线运动和垂直于电场方向的匀速直线运动来解决问题 2 对于带电粒子在磁场中的匀速圆周运动问题 一般要分析运动轨迹 找圆心 求半径 分析圆心角 列相关方程解决问题 图3 5 9 答案 C 例2 2012 枣庄高二检测 如图3 5 10所示为某种质谱仪的结构示意图 其中加速电场的电压为U 静电分析器中与圆心O1等距各点的电场强度大小相同 方向沿径向指向圆心O1 磁分析器中在以O2为圆心 圆心角为90 的扇形区域内 分布着方向垂直于纸面的匀强磁场 其左边界与静电分析器的右边界平行 由离子源发出一质量为m 电荷量为q的正离子 初速度为零 重力不计 经加速 电场加速后 从M点沿垂直于该点的场强方向进入静电分析器 在静电分析器中 离子沿半径为R的四分之一圆弧轨迹做匀速圆周运动 并从N点射出静电分析器 而后离子由P点沿着既垂直于磁分析器的左边界 又垂直于磁场方向射入磁分析器中 最后离子沿垂直于磁分析器下边界的方向从Q点射出 并进入收集器 测量出Q点与圆心O2的距离为d 图3 5 10 1 试求静电分析器中离子运动轨迹处电场强度E的大小 2 试求磁分析器中磁场的磁感应强度B的大小和方向 审题指导 解答本题时应注意以下两点 1 在静电分析器中 电场力提供离子做圆周运动的向心力 2 在磁分析器中 洛伦兹力提供离子做圆周运动的向心力 质谱仪的原理中包括粒子的加速 力的平衡 速度选择器 牛顿第二定律和匀速圆周运动等知识 分析粒子的运动过程 建立各运动阶段的模型 理清各运动阶段之间的联系 是解决此类问题的关键 如果离子的质量为0 9m 电量仍为q 其他条件不变 那么这个离子射出电场和磁场的位置是否变化 请通过分析和数学推导说明你的结论 答案 见解析 例3 如图3 5 11所示 回旋加速器D形盒的最大半径为R 匀强磁场垂直穿过D形盒面 两D形盒的间隙为d 一质量为m 带电荷量为q的粒子每经过间隙时都被加速 加速电压大小为U 粒子从静止开始经多次加速 当速度达到v时 粒子从D形盒的边缘处射出 求 图3 5 11 1 磁场的磁感应强度B的大小 2 带电粒子在磁场中运动的圈数n 3 粒子在磁场和电场中运动的总时间t 思路点拨 根据洛伦兹力公式可确定磁感应强度 由动能定理可求得电子被加速的次数 进而求出其运动周期 还要注意粒子在电场中运动的时间 2 一个用于加速质子的回旋加速器 其核心部分如图3 5 12所示 D形盒半径为R 垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B 两盒分别与交流电源相连 下列说法正确的是 A 质子被加速后的最大速度随B R的增大而增大B 质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大C 只要R足够大 质子的速度可以被加速到任意值D 不需要改变任何量 这个装置也能用于加速 粒子 图3 5 12 答案 A 点击下图片进入 随堂基础巩固 点击下图片进入 课时跟踪训练 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全