高二物理鲁科版选修3-1课件：第1部分 第6章 第3节《洛伦兹力的应用》

欢迎进入物理课堂 3 回旋加速器的电场周期和粒子运动周期相同 4 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 洛伦兹力不对粒子做功洛伦兹力不改变粒子的 只改变粒子的 速度大小 运动方向 图6 3 1 2 实验探究 1 实验装置 洛伦兹力演示仪 如图6 3 1所示 2 实验原理 玻璃泡内的电子枪 即阴极 发射出 使泡内的低压发出辉光 这样就可显示出电子的轨迹 阴极射线 汞蒸气 3 实验现象 当没有磁场作用时 电子的运动轨迹是 当电子垂直射入磁场时 电子的运动轨迹是 当电子斜射入磁场时 电子的运动轨迹是 直线 曲线 螺旋线 3 带电粒子在洛伦兹力作用下的圆周运动 1 运动性质 圆周运动 2 向心力 由提供 3 半径 r 4 周期 T 由周期公式可知带电粒子的运动周期与粒子的质量成正比 与电荷量和磁感应强度成反比 而与和无关 匀速 洛伦兹力 mv Bq 2 m Bq 运动半径 运动速率 重点诠释 解决匀速圆周运动问题的基本思路 1 圆心的确定 带电粒子进入一个有界磁场后的轨迹是一段圆弧 如何确定圆心是解决此类问题的前提 也是解题的关键 一个最基本的思路是 圆心一定在与速度方向垂直的直线上 举例如下 已知入射方向和出射方向时 可通过入射点和出射点作垂直于入射方向和出射方向的直线 两条直线的交点就是圆弧轨道的圆心 如图6 3 2所示 图中P为入射点 M为出射点 图6 3 2 已知入射方向和出射点的位置时 可以通过入射点作入射方向的垂线 连接入射点和出射点 作其中垂线 这两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心 如图6 3 3所示 P为入射点 M为出射点 图6 3 3 4 几个有关的角及其关系 如图6 3 4所示 粒子做匀速圆周运动时 为粒子速度的偏向角 粒子与圆心的连线转过的角度 为回旋角 或圆心角 AB弦与切线的夹角 为弦切角 它们的关系为 2 与相邻的弦切角 互补 即 180 图6 3 4 图6 3 5 1 三个质子分别以大小相等 方向如图6 3 5所示的初速度v1 v2和v3经过平板MN上的小孔O射入匀强磁场 磁场方向垂直纸面向里 整个装置放在真空中 且各质子不计重力 这三个质子打到平板MN上的位置到小孔O的距离分别是s1 s2和s3 则 A s1s2 s3C s1 s2 s3D s1 s3 s2 径R的2倍 即s2 2R 质子1逆时针转过小于半圆周的一段圆弧到O点左方某处 质子3逆时针转过大于半圆周的一段圆弧到O点左方某处打到平板MN上 由质子1与3进入磁场的速度方向与MN夹角均为 及圆周运动的半径相等可知 两质子打到MN上的位置相同 得到s1 s3 所以s1 s3 s2 所以D正确 答案 D 自学教材 图6 3 6 1 回旋加速器 1 主要构造 两个金属 两个大型电磁铁 2 原理图 如图6 3 6所示 半圆空盒 3 工作原理 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 其周期与半径和速率无关 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 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 垂直 匀速圆周运动 电场 相同 2 质谱仪 1 功能 分析各化学元素的并测量其 含量 2 原理图 如图6 3 7 图6 3 7 同位素 质量 Uq r 重点诠释 对回旋加速器的理解 1 工作原理 利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子 这些过程在回旋加速器的核心部件 两个D形盒和其间的窄缝内完成 电场的作用 回旋加速器两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两D形盒正对截面的匀强电场 带电粒子经过该区域时被加速 交变电压 为保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速 使之能量不断提高 需在窄缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压 2 图6 3 8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B和E 平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2 平板S下方有强度为B0的匀强磁场 下列表述错误的是 图6 3 8 A 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C 能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E BD 粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P 粒子的荷质比越小 答案 D 例1 已知质子和 粒子的质量之比m1 m2 1 4 电荷量之比q1 q2 1 2 从静止开始经相同的电压加速后垂直进入同一匀强磁场做圆周运动 则这两种粒子做圆周运动的动能之比Ek1 Ek2 轨道半径之比r1 r2 周期之比T1 T2 思路点拨 首先根据动能定理求出带电粒子的动能及速度 然后利用带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的规律进行求解 1 在匀强磁场中 一个带电粒子做匀速圆周运动 如果又垂直进入另一磁感应强度是原来的磁感应强度2倍的匀强磁场 则 A 粒子的速率加倍 周期减半B 粒子的速率不变 轨道半径减半C 粒子的速率减半 轨道半径为原来的四分之一D 粒子的速率不变 周期不变 答案 B 图6 3 9 例2 在以坐标原点O为圆心 半径为r的圆形区域内 存在磁感应强度大小为B 方向垂直于纸面向里的匀强磁场 如图6 3 9所示 一个不计重力的带电粒子从磁场边界与x轴的交点A处以速度v沿 x方向射入磁场 它恰好从磁场边界与y轴的交点C处沿 y方向飞出 审题指导 解决此题的关键有两点 1 根据题意确定带电粒子的圆心和轨迹 2 根据几何关系确定磁场区域圆半径和轨迹圆半径之间的定量关系 解答此类问题应明确 1 画出带电粒子的运动轨迹 确定做圆周运动的圆心及对应圆心角大小 由几何关系确定半径 2 粒子在磁场中的运动时间要根据粒子运动圆弧所对应的圆心角和粒子的运动周期共同决定 3 带电粒子由直线边界射入匀强磁场时 射入和射出时的角度具有对称性 对称性是建立几何关系的重要方法 图6 3 10 2 如图6 3 10所示 在xOy平面内 y 0的区域有垂直于xOy平面向里的匀强磁场 磁感应强度为B 一质量为m 带电荷量大小为q的粒子从原点O沿与x轴正方向成60 角方向以v0射入 粒子的重力不计 求带电粒子在磁场中运动的时间和带电粒子离开磁场时的位置 图6 3 11 例3 回旋加速器是用来加速一群带电粒子使它们获得很大动能的仪器 其核心部分是两个D形金属扁盒 两盒分别和一高频交流电源两极相接 以使在盒间的窄缝中形成匀强电场 使粒子每穿过狭缝都得到加速 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 若粒子源射出的粒子电荷量为q 质量为m 粒子最大回旋半径为R 其运动轨迹如图6 3 11所示 问 1 盒内有无电场 2 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 4 粒子离开加速器时速度为多大 最大动能为多少 审题指导 解题时应把握以下三点 1 回旋加速器的构造及工作原理 2 回旋加速器的工作条件 3 带电粒子在电场中的加速时间相对于在磁场中做圆周运动的时间可忽略不计 在回旋加速器中粒子在电场中的运动是间断的 但由于粒子在间断期间处在磁场中做匀速圆周运动 速率不变 所以处理时可以将粒子在电场中的间断运动连接起来 将其等效处理为初速度为零的匀加速运动 此种解法值得总结引用 在不同的实际应用中 带电粒子在复合场中的运动的处理方法都是相同的 一定要分清运动过程 受力分析要准确 才能解决实际的相关问题 由于带电粒子在加速过程中的时间极短 比做圆周运动的周期要小得多 一般也可将其加速时间忽略 上题中 若两个D形盒间电场的电势差为U 盒间距离为d 且为匀强电场 则加速到上述能量所用的时间是多少 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