高中物理 第2章 打开电磁联系的大门 2_4 电子束偏转的奥秘教师用书 沪科版选修1-1

2.4电子束偏转的奥秘1(2分)如图241所示，两个同心放置的同平面金属圆环，条形磁铁穿过圆心且与两环平面垂直，则通过两圆环的磁通量a、b之间的关系是()图241AabBabCabD不能确定【解析】通过圆环的磁通量为穿过圆环的磁感线的净条数，首先明确条形磁铁的磁感线分布情况，另外要注意磁感线是闭合的曲线条形磁铁的磁感线在磁铁的内部是从S极到N极，在磁铁的外部是从N极到S极，内部有多少根磁感线，外部的整个空间就有多少根磁感线同内部磁感线构成闭合曲线对两个圆环，磁铁内部的磁感线全部穿过圆环，外部的磁感线穿过多少，磁通量就抵消多少，所以面积越大，磁通量反而越小，故选A.【答案】A2(2分)如图242所示，两个完全相同的线圈套在一水平光滑的绝缘圆柱上，线圈能自由移动，若两线圈内通有大小不等的同向电流，则它们的运动情况是()图242A都绕圆柱转动B以不等的加速度相向运动C以相等的加速度相向运动D以相等的加速度相背运动【解析】同向环形电流可分成很多小段直线电流元，则不难发现相对应的直线电流元方向总是相同的，方向相同的直线电流元是相互吸引的；也可以把环形电流等效成小条形磁铁，异名磁极相互吸引，虽然两电流大小不等，根据牛顿第三定律知两线圈间的相互作用力大小相等，所以选C项【答案】C3. (3分)如图243所示，长为l的通电直导体棒ab放在光滑水平绝缘轨道上，劲度系数为k的水平轻弹簧一端固定，另一端拴在棒的中点，且与棒垂直，整个装置处于方向竖直向上、磁感应强度为B的匀强磁场中，弹簧伸长x，棒处于静止状态则()图243A导体棒中的电流方向从b流向aB导体棒中的电流大小为C若只将磁场方向顺时针缓慢转过一小角度，则x变大D若只将磁场方向逆时针缓慢转过一小角度，则x变大【解析】由于弹簧伸长，根据左手定则知导体棒中的电流方向从a流向b，所以A错误；由力的平衡条件知kxBIl，所以B正确；如果磁场方向转过一小角度，安培力水平方向的分量均要减小，所以x变小，故C、D错误【答案】B 4(3分)关于对磁通量的描述，下列说法正确的是()A位于磁场中的一个平面垂直磁场方向时，穿过该平面的磁通量最大B穿过平面的磁通量最大时，该处的磁感应强度一定最大C如果穿过某平面的磁通量为零，则该处的磁感应强度一定为零D将一平面置于匀强磁场中的任何位置，穿过该平面的磁通量总是相等【解析】由磁通量BScos 可知，磁通量不但与B、S有关，还与平面与该平面沿垂直磁场方向的投影面之间的夹角有关0，B不一定为零，最大，B也不一定大故选项A正确【答案】A课标导思1.知道什么是洛伦兹力2会用左手定则判断洛伦兹力的方向，知道洛伦兹力方向的特点(重点)3了解电子束的偏转在技术上的应用(难点)一、奥斯特的发现与电视机电视机显像管发射出的高速电子流受到一组通电线圈磁场控制，打到荧光屏的各个部位产生精彩纷呈的图像奥斯特的电流磁效应竟能被应用的如此出神入化二、洛伦兹力1首先对磁场中运动电荷做深入研究的是荷兰物理学家洛伦兹2磁场对运动电荷的作用力叫做洛伦兹力三、洛伦兹力的方向1判定：由于电荷的运动相当于电流，因此，洛伦兹力的方向同样可以用左手定则来判断2特点：洛伦兹力的方向处处垂直于运动电荷的速度3作用：洛伦兹力只改变运动电荷的速度方向，不改变运动电荷的速度大小，因而垂直磁场射入的电子在洛伦兹力作用下做圆周运动四、磁偏转的应用1分离放射线：放射性物质衰变时，会从原子核内发射出三种射线：射线由带正电的氦原子核组成，射线是带负电的高速电子流，射线是不带电的光子流，利用洛伦兹力可以把它们分离开来2质谱仪：质谱仪是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的精密仪器当电量相同、质量不同的带电粒子进入磁场后将沿不同半径做圆周运动，在显示屏上出现按质量大小排列的若干谱线3回旋加速器：回旋加速器是一种能产生大量高能量粒子的装置一、洛伦兹力与安培力有何异同？1在导体静止不动时，安培力是洛伦兹力的合力，所以洛伦兹力的方向与安培力的方向是一样，可由左手定则来判定判断洛伦兹力的方向时一定要注意F垂直于v与B所决定的平面2当运动电荷的速度v的方向与磁感应强度的方向平行时，运动电荷不受洛伦兹力作用，仍以初速度做匀速直线运动而磁场中静止的电荷也不受洛伦兹力的作用导体平行磁场方向放置时，定向运动的电荷不受洛伦兹力，所以导体也不受安培力3洛伦兹力对运动电荷永不做功，而安培力对运动导体却可以做功由于洛伦兹力F始终垂直于电荷的运动速度v的方向，不论电荷做什么性质的运动，也不论电荷是什么样的运动轨迹，F只改变v的方向，并不改变v的大小，所以洛伦兹力对运动电荷不做功通电导体在磁场中运动后，电荷相对磁场的运动方向并不沿导体方向，所受洛伦兹力的方向也不垂直于导体，洛伦兹力垂直于导体方向的分力做正功，而沿导体方向的分力做负功，总功仍为0.导体中所有运动电荷受到的洛伦兹力，在垂直于导体方向的分力的合力就是安培力，所以安培力对运动导体可以做功安培力与洛伦兹力的比较如下表所示安培力洛伦兹力作用对象静止或运动的电荷运动的电荷力的大小FqE与v无关FqvBsin ，与v有关，当B与v平行时，F0力的方向平行于电场方向同时垂直于速度方向和磁场方向对运动电荷的作用效果改变速度大小、方向，对运动电荷做功(除初、末状态位于同一等势面)只改变运动电荷的速度方向，对运动电荷不做功二、洛伦兹力作用下电荷的运动分三种情况1运动电荷的速度v与磁场B平行时，磁场对运动电荷无作用力，做匀速直线运动2运动电荷的速度v与磁场B垂直时，由于洛伦兹力总垂直于电荷的运动方向，所以只改变速度的方向，不改变速度的大小，所以将在磁场做匀速圆周运动3运动电荷的速度v与磁场B方向夹角为时，把速度分解在垂直于磁场和平行于磁场的两个方向上，由上述1、2可知，在这两个方向上分别做匀速圆周运动和匀速直线运动，其合运动为等速螺线运动【特别提醒】在处理洛伦兹力的有关问题时，要切记以下几点：(1)洛伦兹力方向一定与电荷的运动方向垂直，它只改变速度的方向，不改变速度的大小(2)在判断洛伦兹力方向时把运动电荷看作电流，因此伸直的四指指向正电荷的运动方向(或负电荷的反方向)三、带电粒子在磁场中的偏转及应用1分离放射线放射性物质衰变时，会从原子核内发射出三种射线：一种叫射线，由带正电的氦原子核(He)组成；一种叫射线，是带负电的高速电子流；还有一种叫射线，是不带电的光子流利用洛伦兹力，就可以把它们分离开来(如图244所示)图2442显像管的工作原理(1)构造如图245所示图245(2)原理：阴极发射电子，经过偏转线圈，偏转线圈产生的磁场和电子运动方向垂直，电子受洛伦兹力作用发生偏转，偏转后的电子打在荧光屏上，使荧光屏发光(3)扫描：偏转区的水平方向和竖直方向都加有偏转磁场，其方向、强弱都在不断变化，因此电子束打在荧光屏上的光点不断移动，这种现象称为扫描偏转磁场的变化随图像信号的变化而变化，电子束打在荧光屏上就会产生精彩纷呈的图像3回旋加速器(1)主要由粒子源、两个D形金属盒、匀强磁场、粒子引出装置等组成，回旋加速器一般放在真空容器中(如图246所示)图246(2)回旋加速器原理：如图247所示，设粒子源中放出的是带正电的粒子，以一定初速度v0进入下方D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，运行到半周后回到窄缝边缘，这时在A1、A1间加一向上的电场，粒子将在电场作用下被加速，速率由v0变为v1，然后粒子在上方的D形盒的匀强磁场中做匀速圆周运动，经过半个周期后到达窄缝边缘，这时在A2、A2间加一向下的电场，使粒子又一次得到加速，速率变为v2，这样使粒子每次经过窄缝时被加速，又通过D形盒内的磁场回旋到窄缝，通过反复加速使粒子达到很高的能量图247【深化探究】从回旋加速器的原理可知，带电粒子进入两D型盒狭缝时电场就对其加速，那么狭缝所加电场应该怎样变化？提示：因为带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，它的周期确定，这样，狭缝所加电场的方向每经过带电粒子在磁场中运动半个周期便改变，也就是狭缝间加一交变电流.周期与带电粒子的运动周期相同，则带电粒子就会每经过狭缝总是被加速.4质谱仪(1)用途：质谱仪是一种测量微小带电粒子质量和分离同位素的仪器(2)原理：如图248粒子源S产生质量为m、电荷量为q的正粒子(所受重力不计)粒子无初速度的经过电压为U的电场加速后，进入磁感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动经过半个周期后到达记录它的照相底片P上，测得P点位置到入口处的距离为L，即可求得带电粒子的质量和比荷图248一、左手定则的应用在下列选项所示的四幅图中，正确标明了在磁场中带正电的粒子所受洛伦兹力f方向的是()【解析】由左手定则可知，洛伦兹力的方向一定与速度和磁场垂直，故C、D均错误；考虑到带电粒子带正电，可确定选项A正确【答案】A在判断运动电荷所受洛伦兹力方向时，要注意区分电荷的电性，若为正电荷，四指指向正电荷的运动方向，若为负电荷，则四指指向负电荷运动的反方向.1(多选)如图249所示是表示从粒子源S以相同速度射出的三种粒子A、B、C在匀强磁场中运动的轨迹，由此可判定() 【导学号：22940019】图249A带正电的是C粒子B带正电的是A粒子C不带电的是B粒子D带负电的是A粒子【解析】【答案】BC二、带电粒子的磁偏转及其应用的探究显像管原理的示意图如图2410所示，当没有磁场时，电子束将打在荧光屏正中央的O点，安装在管径上的偏转线圈可以产生磁场，使电子束发生偏转设垂直纸面向里的磁场方向为正方向，若使高速电子流打在荧光屏上的位置由a点逐渐移动到b点，下列磁场的变化能够使电子发生上述偏转的是()图2410【导析】(1)判断电子所受洛伦兹力的方向时注意其电性(2)要使电子流到达光屏的位置由a点逐渐移动到b点，磁场的方向必须是改变的【解析】电子偏转到a点时，根据左手定则可知，磁场方向垂直纸面向外，对应的Bt图的图线就在t轴下方；电子偏转到b点时，根据左手定则可知，磁场方向垂直纸面向里，对应的Bt图的图线应在t轴上方，A正确【答案】A2如图2411所示，宇宙射线中存在高能带电粒子，假如大气层被破坏，这些粒子就会到达地球，从而给地球上的生命带来危害，根据地磁场的分布特点，判断下列说法中正确的是()图2411A地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在南北两极最强，赤道附近最弱B地磁场对直射地球的宇宙射线的阻挡作用在赤道附近最强，两极最弱C地磁场对宇宙射线的阻挡作用在地球周围各处相同D地磁场对宇宙射线无阻挡作用【解析】当带电粒子的运动方向与磁感线的方向在一条直线上时，磁场对它没有作用力，当带电粒子的运动方向与磁感线的方向垂直时，磁场对它的作用力最大，根据地磁场的方向和宇宙射线的入射方向不难判定，选项B正确【答案】B1如图2412所示，能正确表示运动电荷在磁场中受力方向的关系的是()图2412【解析】洛伦兹力f方向既垂直于速度v，也垂直于磁感应强度B，若v与B平行或反平行，则f洛0，由左手定则逐一判断可知，选项A正确【答案】A2如图2413所示，一细线悬吊小球，在垂直于匀强磁场方向的竖直平面内摆动，C点为小球运动的最低位置，则()图2413A小球从等高的A点、B点分别摆至C点时速度大小相等B小球从等高的A点、B点分别摆至C点时，小球从A点至C点时的速度大C如果小球带正电，则小球从A点摆至C点的速度比从B点摆至C点时大D如果小球带负电，则小球从A点摆至C点的速度比从B点摆至C点时大【解析】由于洛伦兹力对运动小球不做功，所以不论是正电荷还是负电荷，不论是从A点摆至C点，还是从B点摆至C点，机械能均守恒，所以B，C，D错，A对【答案】A3下列说法正确的是()A洛伦兹力的方向一定既平行于磁场方向又平行于电荷的运动方向B洛伦兹力的方向一定既垂直于磁场方向又垂直于电荷的运动方向C洛伦兹力的方向垂直于磁场的方向，平行于电荷运动的方向D洛伦兹力对运动电荷做正功【解析】洛伦兹力的方向一定既垂直于磁场方向又垂直于电荷的运动方向，洛伦兹力不做功【答案】B4一个长螺线管中通有电流，把一个带电粒子沿中轴线方向射入(若不计重力影响)，粒子将在管中()A做圆周运动B沿轴线来回运动C做匀加速直线运动D做匀速直线运动【解析】由安培定则可知长螺线管中轴线上的磁场方向与中轴线平行，故粒子沿中轴线方向射入，则不受洛伦兹力作用，故粒子将在管中做匀速直线运动，D项正确【答案】D学业达标测评(七) (建议用时：45分钟)1下列说法正确的是()A运动电荷在磁感应强度不为零的地方，一定受到洛伦兹力的作用B运动电荷在某处不受洛伦兹力的作用，则该处的磁感应强度一定为零C洛伦兹力既不能改变带电粒子的动能，也不能改变带电粒子的速度D洛伦兹力对带电粒子不做功【解析】运动电荷受到洛伦兹力不仅跟磁场有关，还跟电荷的速度方向有关，在磁感应强度不为零的地方，当速度方向与磁场方向平行时，不受洛伦兹力作用反之，洛伦兹力为零时，可能是因为运动电荷的速度方向与磁场方向平行，而不一定是磁感应强度为零，故选项A，B都错误；洛伦兹力的方向始终与速度方向垂直，洛伦兹力只改变带电粒子的速度方向，不改变带电粒子的速度大小，因此带电粒子的动能保持不变；速度是矢量，速度的大小不变，但速度的方向是改变的，因此选项C错误，选项D是正确的【答案】D2有关洛伦兹力和安培力的描述，正确的是()A通电直导线处于匀强磁场中一定受到安培力的作用B安培力是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现C带电粒子在匀强磁场中运动受到的洛伦兹力对带电粒子做正功D通电直导线在磁场中受到的安培力方向与磁场方向平行【解析】通电直导线与磁场平行，不受安培力，选项A错误，安培力方向与磁场方向垂直，选项D错误洛伦兹力对带电粒子不做功，选项C错误，安培力是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现，选项B正确【答案】B3(多选)在只受洛伦兹力的条件下，关于带电粒子在匀强磁场中运动，下列说法正确的有()A只要粒子的速度大小相同，带电量相同，粒子所受洛伦兹力大小就相同B洛伦兹力只改变带电粒子的运动轨迹C洛伦兹力始终与速度垂直，所以洛伦兹力不做功D洛伦兹力始终与速度垂直，所以粒子在运动过程中的动能、速度保持不变【解析】洛伦兹力的大小与电荷进入磁场的速度方向有关系，但洛伦兹力永远垂直速度方向，不做功不改变速度大小，但可以改变速度的方向带电粒子在匀强磁场中所受的洛伦兹力的大小不但与速度的大小有关，而且与速度的方向有关，当带电粒子的速度方向与磁场方向垂直时，粒子所受的洛伦兹力最大；当粒子的速度方向与磁场方向平行时，带电粒子不受洛伦兹力的作用速度大小相同的粒子，沿不同方向进入磁场时所受的洛伦兹力的大小不同，所以选项A不正确由于洛伦兹力的方向始终与速度方向垂直，所以洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小，动能保持不变，洛伦兹力不做功；但在洛伦兹力的作用下，粒子的运动方向要发生变化，速度就要发生变化，所以本题的正确选项应为B、C.【答案】BC4如图2414所示，是表示磁场B、正电荷运动方向v和磁场对电荷作用力F的相互关系图，其中正确的是(B、F、v两两垂直)()图2414【解析】带电粒子所受洛伦兹力垂直于B和v决定的平面，用左手定则分析，让B的方向垂直手心，四指指向正电荷运动方向，大拇指所指即为洛伦兹力方向【答案】D5在学校操场的上空中停着一个热气球，从它底部脱落一个塑料小部件，下落过程中由于和空气的摩擦而带负电，如果没有风，那么它的着地点会落在气球正下方地面位置的()A偏东B偏西C偏南D偏北【解析】地磁场在水平方向上的分量方向是水平向北，小部件带负电，根据左手定则可得气球受到向西的洛伦兹力，故向西偏转，B正确【答案】B6如图2415所示，一带负电的物体从光滑斜面顶端滑到底端时的速度为v，若加上一垂直纸面向外的磁场，在滑到底端时()图2415Av变大 Bv变小Cv不变D无法确定【解析】洛伦兹力对电荷不做功，故只有重力做功，v不变【答案】C7(多选)1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图2416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() 【导学号：22940020】图2416A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【解析】离子由加速器的中心附近进入加速器，从电场中获取能量，最后从加速器边缘离开加速器，选项A、D正确【答案】AD8图2417中各图已标出磁场方向、电荷运动方向、电荷所受洛伦兹力方向三者中的两个，试标出第三个的方向图2417【解析】用左手定则判断，对q，四指应指向其运动方向的反方向分别可得，图(1)中q受洛伦兹力方向垂直于v斜向左；图(2)中q受洛伦兹力方向垂直于v向左；图(3)中q运动方向平行于斜面向下；图(4)中匀强磁场方向垂直纸面指向读者【答案】(1)受力方向垂直于v斜向上(2)受力方向垂直于v向左(3)运动方向平行于斜面向下(4)磁场方向垂直纸面指向读者9三个粒子a、b、c(不计重力)以相同的速度射入匀强磁场中，运动轨迹如图2418所示，其中b粒子做匀速直线运动，则a粒子带_电，c粒子带_电图2418【解析】三粒子垂直于磁场方向射入，其中b的运动方向不变，说明b不带电，伸出左手，让磁感线垂直穿过手心，四指向下，则拇指指向右，即c粒子带正电，a带负电【答案】负正极光现象太阳的外层大气称为日冕，日冕具有百万度以上的高温，在这样的高温下，气体处于高度的电离状态，成为等离子体日冕的一部分气体克服太阳的引力向太空膨胀，形成等离子体稳定地向外辐射，这就是太阳风太阳风把地磁场压缩成为一个很有限的区域，形成地球磁层，地球磁层起着保护地球的作用，它能使宇宙中那些高速冲向地球的带电粒子偏转方向一些闯入地球磁层的太阳风粒子在地磁场的作用下向两个地磁极运动，与那里高层大气作用时，引起气体辉光放电美丽的极光就是围绕着地球南北两极的一种大规模气体放电过程的表现形式地球像一个巨大的磁铁，也有两个磁极地磁极与地理极并不重合，它们之间夹一个约为11.5的角极光集中在地磁极周围来自太阳风的带电微粒流，有一部分沿着漏斗状的地球极区磁感线进入高层大气，与那里的稀薄气体发生碰撞，使大气中的原子和分子电离，这些受到电离的气体吸收了部分能量后被激发到高能态，随后又立即将这额外的能量以辐射光子的形式释放，并回到原来的状态在这种过程中扰动的气体发出了明亮的光线极光如果将一只玻璃管内的空气基本上抽空，然后使电流在这些稀薄气体中通过，管内部气体导电，发出美丽的辉光，这就是放电管在地球高空所看到的极光与放电管相同，都是带电粒子通过稀薄气体发生辉光放电形成的