高中物理 第3章 打开电磁学的大门 第3节 洛伦兹力的应用教师用书 鲁科版选修1-1

第3节洛伦兹力的应用课标解读重点难点1.初步了解显像管的主要构造和真空显像管的工作原理2.了解带电粒子的磁偏转在磁流体发电机中的作用3.知道回旋加速器的工作原理，并了解加速器的基本用途.1.显像管、回旋加速器的原理(重点)2.磁流体发电机和回旋加速器的原理(难点)磁偏转与显像管1.基本知识(1)显像管的构造：主要由电子枪和荧光屏两部分构成电子枪用来发射电子束，荧光屏在电子束的冲击下发光(2)显像管的原理为了再现拍摄时的原图像，必须使电子束的扫描反映出原图像的信息磁偏转线圈：偏转线圈通入电流时会产生磁场，当电子束通过时，将受到洛伦兹力作用，实现水平偏转和竖直偏转电子束的偏转方向是用包含图像信息的交变电流控制磁偏转线圈实现的，电子束打在屏幕上的位置反映的就是图像的信息，屏幕上展现的也就是拍摄的图像2思考判断(1)黑白电视机的显像管中只有一支电子枪()(2)其他电器设备在工作时，不会对电视机产生影响()磁偏转与磁流体发电机1.基本知识(1)磁流体发电机的构造：由等离子源、磁极和两个极板三部分构成(2)磁流体发电机的原理：等离子源中产生的高温等离子导电气体穿过磁场的发电通道时，受洛伦兹力作用，正、负离子分别向两个极板偏转，两个极板接收到带电离子后形成电势差，当两个极板与外电路形成闭合电路时，电路中就产生了电流2思考判断(1)磁流体发电机与火力发电机相比，大大提高了能量的转化效率()(2)目前我国已大量利用磁流体发电()磁偏转与回旋加速器1基本知识(1)回旋加速器的构造：如图331所示，D1，D2是半圆金属扁盒，D形盒的缝隙处接高频交流电源D形盒处于匀强磁场中图331(2)回旋加速器的原理：交流电周期和粒子做圆周运动的周期相同，粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙，两盒间的电势差一次一次地反向，粒子就会被一次一次地加速2探究交流回旋加速器两端所加的交流电压的周期由什么决定？【提示】为了保证每次带电粒子经过时均被加速，使之能量不断提高，交流电压的周期必须等于带电粒子在回旋加速器中做匀速圆周运动的周期即T.因此，交流电压的周期由带电粒子的质量m、带电量q和加速器中的磁场的磁感应强度B来决定.磁流体发电机的工作原理【问题导思】1带电粒子在两极板间运动时受什么力作用？【提示】受电场力和洛仑兹力2两极间电压只与离子射入速度有关吗？【提示】不对1装置如图332所示，A、B为两个极板，极板间有匀强磁场，磁场方向向外，等离子束穿过磁场，根据左手定则可以判断，正电荷偏向B极，负电荷偏向A极图3322原理正、负离子被极板吸收后，接收正离子的极板B带正电，接收负离子的极板A带负电，两极板间产生了电场，电场的出现阻碍了离子的进一步偏转，此后的离子受到两个力的作用：电场力和洛伦兹力，当这两个力平衡时，离子不再偏转，极板间的电压达到稳定3电压设带电粒子的运动速度为v，带电荷量为q，磁场的磁感应强度为B，极板间距离为d，极板间电压为U，据FBFe，有qvBqE，得UBdv.如图333是汽车尾气磁流体发电的原理示意图，金属板M、N正对着平行放置，且板面垂直于纸面，在两板之间接有电阻R.极板间的磁场方向垂直纸面向里，等离子束(分别带有等量正、负电荷的离子束)从左向右进入板间，下列表述正确的是()图333AM板的电势低于N极，通过电阻R的电流向上BM板的电势低于N板，通过电阻R的电流向下CM板的电势高于N板，通过电阻R的电流向上DM板的电势高于N板，通过电阻R的电流向下【审题指导】(1)根据左手定则确定正、负离子偏转的方向，从而确定金属板电势的高低(2)根据金属板电势的高低判断流过电阻R的电流方向【解析】等离子体进入磁场，根据左手定则，正电荷向上偏转，打在上极板上，负电荷向下偏转，打在下极板上，所以上极板带正电，下极板带负电，则M板的电势高于N板的电势，流过电阻的电流方向向下，选项D正确【答案】D这是一道联系实际的问题，要明确发电机的工作原理，综合运动学的知识，利用共点力的平衡进行求解解决此类复合场问题时，正确地对物体进行受力分析是关键1.目前世界上正研究的一种新型发电机叫磁流体发电机，如图334所示它的发电原理：将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量带正电和带负电的微粒，而从整体来说呈中性)沿图中所示方向喷射入磁场，磁场中有两块金属板A、B，这时金属板上就聚集了电荷在磁极配置如图中所示的情况下，下述说法正确的是()图334AA板带正电B有电流从b经用电器流向aC金属板A、B间的电场方向向下D等离子体发生偏转的原因是离子所受洛伦兹力大于所受电场力【解析】由左手定则判定B板带正电，故A错误，B正确，C错误离子偏转的原因是离子受洛伦兹力大于所受电场力，故D正确【答案】BD回旋加速器【问题导思】1使带电粒子获得能量的是磁场还是电场？【提示】电场2带电粒子获得的能量大小和加速电压大小有关吗？【提示】无关1回旋加速器：美国科学家劳伦斯于1932年制成了第一台回旋加速器，其结构如图335所示，核心部件为两个D形盒(加匀强磁场)，其间的狭缝加加速电场图3352磁场的作用：带电粒子以某一速度从D形盒中心附近垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间(半个周期)后平行电场方向进入狭缝的电场带电粒子被加速后在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径增大，但周期却不变(如图336所示)图3363电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的狭缝区域存在周期性变化的并垂直于两个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4加速电压的作用：为保证粒子每次经过狭缝时都被加速，使之能量不断提高，需在狭缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的加速电压如图337所示，回旋加速器由两个D形盒组成，在D形盒的缝隙处加加速电压，整个装置处在匀强磁场中从O点射入的带电粒子经过电场加速和磁偏转，反复运动，最终可以从边缘由导出装置导出已知加速电压的频率等于粒子在磁场中回旋的频率试讨论：粒子射出时速度vm的大小由哪些因素决定？图337【解析】只要粒子从D形盒边缘被导出，那么，它最后半周应满足qvmB，即vm，可见粒子射出时的最大速度vm与磁场的磁感应强度B以及D形盒的半径R有关，而与加速电压U的大小无关(U0)【答案】见解析回旋加速器相关问题主要抓住两点：一是旋转频率等于加速电压的频率，二是射出速度vm，由R得vm(R为D形盒半径)2关于回旋加速器加速带电粒子所获得的能量，下列提供的选项正确的是() 【导学号：31870026】A与加速器的半径有关，半径越大，能量越大B与加速器的磁场有关，磁场越强，能量越大C与加速器的电场有关，电场越强，能量越大D与带电粒子的质量与电荷量均有关，质量和电荷量越大，能量越大【解析】带电粒子在回旋加速器中最终获得的动能为Ek，由r推得r，所以Ek，所以该能量与半径有关，半径越大，能量越大，所以选项A正确同理与磁场也有关，选项B正确虽然与质量和电荷量有关，但是质量和电荷量越大，能量却不一定越大，所以选项D错误因为该能量与电场无关，所以选项C错误综上所述，本题的正确选项为A、B.【答案】AB【备课资源】(教师用书独具)加速器的创新历程普通回旋加速器是劳伦斯发明的在这种加速器中，磁场是均匀的，加速电场的频率是不变的所以相对的频率是不变的，由于相对论效应，因而粒子得不到持续的加速这种加速只能将质子的能量加速到25 MeV左右为了得到更高能量的粒子，60多年来，科学家们坚持不懈地进行研究，不断地对回旋加速器做出改进，加速器发展到今天，经历了三次革命加速器发展的主要动力是粒子物理学实验的需要，粒子物理学推动了加速器理论和技术的进步. 1945年，科学家对高频加速电场的频率进行调变，研制成同步回旋加速器这种回旋加速器能将质子的能量加速到1 GeV.20世纪50年代，科学家研制出磁场呈某种分布的回旋加速器，它能使不同质量的粒子在不同半径的轨道上回旋频率保持不变，这种加速器可以将质子的能量加速到10 GeV的数量级20世纪60年代，科学家运用对撞可使加速粒子能量得到充分利用的原理建成了一个直径大约为1 m的对撞机，从此开创了加速器发展的新纪元我国1989年研制成的北京正负电子对撞机，能使电子能量达到22.8 GeV，现代的高能加速器基本上都是对撞机，它们把产生高能反应的等效能量提高到10 TeV1 000 TeV.从20世纪30年代至今，加速器的能量提高了9个数量级，每单位能量的造价降低了约4个数量级，全世界有多位科学家因此获得了诺贝尔物理学奖目前世界上最大的加速器是美国费密国家加速器实验室的一台质子同步加速器，它可以把质子加速到1 000 GeV.1带电粒子在磁场中发生偏转的物理原理可运用于各种科学实验和电器中，下面利用了此物理原理的装置有()【解析】磁流体发电机是利用带电粒子在磁场中受洛伦兹力向A、B两极偏转，从而保证A、B两极间有足够的正负电荷形成电源两极；电子显像管是利用磁场中电子受洛伦兹力偏转打到荧光屏上显像；回旋加速器是利用带电粒子在磁场中偏转半周达到回旋再加速的目的；洗衣机是磁场对电流产生安培力，从而使洗衣机转动，故选A、B、C.【答案】ABC图3382如图338所示，平行金属板上板带负电，下板带等量正电，两板间还有垂直纸面向外的匀强磁场一带电粒子(不计重力)以速度v0垂直于电场线和磁感线射入，恰能沿直线穿过此区域若使磁场增强，其他条件不变，粒子仍以v0垂直射入，则粒子落到极板上设落到极板上时速度为v，则()Avv0Bvv0Cvv0D因为粒子电性未知，所以不能确定【解析】磁场增强、洛伦兹力大于电场力，电场力做负功，动能减小，速度减小，故选C.【答案】C3用回旋加速器来加速质子，为了使质子获得的动能增加为原来的4倍，原则上可采用下列哪几种方法()A将其磁感应强度增大为原来的2倍B将其磁感应强度增大为原来的4倍C将D形金属盒的半径增大为原来的2倍D将D形金属盒的半径增大为原来的4倍【解析】由公式r，得v，动能增加为原来的4倍，速率增加为原来的2倍故A、C正确【答案】AC4如图339所示是等离子体发电机的示意图，磁感应强度为B，两板间距离为d，要使输出电压为U，则等离子的速度v为_，a是电源的_极图339【解析】由qvBq得v，由左手定则知正电荷向上偏，所以a端是电源的正极【答案】正学业达标测评(十)(建议用时：45分钟)1如图3310所示是阴极射线管的示意图，接通电源后，会有电子从阴极K射向阳极A，并在荧光屏上形成一条亮线要使荧光屏上的亮线向下偏转，下列措施中可行的是()图3310A加一方向平行纸面向上的磁场B加一方向平行纸面向下的磁场C加一方向垂直纸面向里的磁场D加一方向垂直纸面向外的磁场【解析】要使荧光屏上的亮线向下偏转，就是使电子向下偏转，由左手定则由于电子带负电，所以四指应指向左，拇指指向下，可得手心朝外，即应加一方向垂直纸面向里的磁场【答案】C2显像管是电视机中的一个重要元件，如图3311所示为电视机显像管的偏转线圈示意图，圆心黑点表示电子枪射出的电子，它的方向由纸内指向纸外当偏转线圈通以图示方向的电流时，电子束应()图3311A向左偏转B向上偏转C不偏转 D向下偏转【解析】偏转线圈北极在右，南极在左，磁场方向向左，用左手定则，四指指向电子运动的反方向即可判断【答案】B3在回旋加速器中，带电粒子在D形金属盒内经过半个圆周所需时间t与下列哪些物理量无关()A带电粒子的质量和电荷量B带电粒子的速度C加速器的磁感应强度D带电粒子运动的轨道半径【解析】周期T，只与m、q、B三个物理量有关，所以B、D正确【答案】BD4.如图3312所示，铜质导电板置于匀强磁场中，通电时铜板中电子流方向向上，由于磁场作用，则() 【导学号：31870027】图3312A板左侧聚集较多电子，使b点电势高于a点电势B板左侧聚集较多电子，使a点电势高于b点电势C板右侧聚集较多电子，使b点电势高于a点电势D板右侧聚集较多电子，使a点电势高于b点电势【解析】由左手定则判断，电子向右侧偏转【答案】D5显像管的结构如图3313所示，电子枪是由安装在真空玻璃管内的一个阴极、一个阳极而组成的，阴极接高压电源的负极，阳极接正极从阴极产生的电子，在两极之间的电场力的作用下从阴极加速飞向阳极，并从阳极射进由偏转线圈产生的磁场内，电子束在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上的A点，偏转磁场应该沿什么方向()图3313A垂直纸面向外 B竖直向上C垂直纸面向内 D竖直向下【解析】由图知，电子束受到的洛伦兹力方向向上，电子带负电，应用左手定则时注意四指的指向应该是电子运动的反方向，所以由左手定则可判定，磁场方向垂直纸面向外【答案】A6在回旋加速器中，下列说法正确的是()A电场用来加速带电粒子，磁场使带电粒子偏转B电场和磁场同时用来加速带电粒子C在确定的交流电压下，回旋加速器D形金属盒的半径越大，同一带电粒子获得的动能就越大D同一带电粒子获得的最大动能只与交流电源的电压有关，而与交流电的频率无关【解析】回旋加速器中，电场使带电粒子加速，磁场只使带电粒子偏转，故A对，B错，同一粒子获得的最大动能取决于回旋半径，与交流电压、频率均无关，故C对，D错【答案】AC7目前世界上正在研究一种新型发电机叫磁流体发电机，如图3314表示它的原理：将一束等离子体(包含正、负离子)喷射入磁场，在磁场中有两块金属板A、B，于是金属板上就会聚集电荷，产生电压以下说法正确的是()图3314AB板带正电BA板带正电C其他条件不变，只增大射入速度，UAB增大D其他条件不变，只增大磁感应强度，UAB增大【解析】根据左手定则，正离子进入磁场受到的洛伦兹力向下，A正确，B错误最后，离子受力平衡有qBvq，可得UABBvd，C、D正确【答案】ACD8如图3315所示，一带负电的粒子从上向下射入相互垂直的匀强电场和匀强磁场并存的区域，磁感应强度为B，若使该粒子做匀速运动，电场强度方向应(不计重力)()图3315A与磁场方向平行且向里B与磁场方向平行且向外C与磁场方向垂直且向左D与磁场方向垂直且向右【解析】由左手定则可知，此粒子所受洛伦兹力方向水平向左，要使粒子做匀速运动，粒子所受电场力应向右，由于粒子带负电，故电场强度方向与磁场方向垂直且向左【答案】C9.医生做某些特殊手术时，利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速度电磁血流计由一对电极a和b以及一对磁极N和S构成，磁极间的磁场是均匀的使用时，两电极a、b均与血管壁接触，两触点的连线、磁场方向和血流速度方向两两垂直，如图3316所示由于血液中的正、负离子随血液一起在磁场中运动，电极a、b之间会有微小电势差在达到平衡时，血管内部的电场可看做匀强电场，血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零在某次监测中，两触点间的距离为3.0 mm，血管壁的厚度可忽略，两触点间的电势差为160 V，磁感应强度的大小为0.040 T则血流速度的近似值和电极a、b的正负为()图3316A1.3 m/s，a正、b负 B2.7 m/s，a正、b负C1.3 m/s，a负、b正 D2.7 m/s，a负、b正【解析】依据左手定则，正离子在磁场中受到洛伦兹力作用向上偏，负离子在磁场中受到洛伦兹力作用向下偏，因此电极a、b的正负为a正、b负；当稳定时，血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零，则qEqvB，可得v1.3 m/s，A对【答案】A10如图3317所示，在真空中匀强电场的方向竖直向下，匀强磁场方向垂直于纸面向里，三个油滴a、b、c带有等量同种电荷，其中a静止，b向右做匀速运动，c向左做匀速运动，则三个油滴中_最重，_最轻图3317【解析】由a静止知，三个球带的是负电，再由左手定则和物体的平衡条件对a球有GaqE，对b球有GbqvbBqE，对c球有GcqEqvcB，比较以上三式知最重的是c球，最轻的是b球【答案】cb11回旋加速器D形盒中央为质子流，D形盒间的加速电压为U2104V.静止质子经电场加速后，进入D形盒，其最大轨道半径R1 m若磁场的磁感应强度B1.5 T，问：质子最初进入D形盒的动能多大？质子经回旋加速器得到的最大动能多大？(已知质子的质量m1.671027kg，电荷量q1.61019C)【解析】质子从静止加速进入D形盒时的动能EkqU1.610192104J3.21015J，当半径达最大时，动能最大由Rm得vm，最大动能EkmmvJ1.721011J.【答案】3.21015J1.721011J