5.6洛伦兹力与现代科技

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课 题 5.6洛伦兹力与现代科技
课 时 2课时 课 型 新课
主备教师 备课组长
审核教师
教学目标 1、了解质谱仪和回旋加速器的工作原理． 2、能够运用学过的知识分析，计算有关带电粒子在匀强磁场中受力、运动的问题． 3、会综合运用电场和磁场知识研究带电粒子在两场中的受力与运动问题
教材分析 本节主要是了解洛伦兹力在现代科技中的广泛应用。重点分析回旋加速器的基本工作原理，学习质谱仪的工作原理，简单了解彩色电视机、电子显微镜的原理。要求学生在教室的指导下，通过讨论和分析论证，弄清回旋加速器的加速过程和质谱仪分离同位素的过程。
学情分析 本节内容是在前一节基础之上的应用，学生已经有了理论基础，所以本节课的学习主要是引导学生，使用已有知识对不同模型中，带电粒子在磁场中的运动分析运动规律和特点。
教学重难点 回旋加速器和质谱仪的工作原理以及带电粒子在磁场中的运动规律
教学准备 多媒体课件
德育教育 了解我国加速器建设，让学生提高民族自豪感，激励学生努力学习投身国家建设的情怀。
教 学 过 程 设 计
导 案（教师活动） 学 案（学生活动） 补充（思考与创新）
【新课导入】 在现代物理学中，为了研究物质的微观结构，往往要用能量很高的带电粒子去轰击各种原子核，观察它们的变化情况．例如，要从原子核中把中子或质子打出来，就得用8兆电子伏的质子．为了探索质子的内部结构，使用了200亿电子伏的电子去轰击质子．怎样才能在实验室大量产生这样高能量的带电粒子呢？ 【进行新课】 一、回旋加速器 1、构造图及特点(如图所示) 回旋加速器的核心部件是两个D形盒，它们之间接交流电源， 整个装置处在与D形盒底面垂直的匀强磁场中。 2、工作原理 ①加速条件 交流电的周期必须跟带电粒子做圆周运动的周期相等，即T＝. ②加速特点 粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些(如图所示)， 但由T＝知，粒子做圆周运动的周期不变。 ③最大动能 由qvB＝m得粒子在回旋加速器获得的最大速率vmax＝BR，获得的最大动能为Ekm＝，可见粒子获得的最大能量是由磁感应强度和D形盒的半径决定的，而与加速电压无关． 3、思考判断 (1)回旋加速器交流电的周期等于带电粒子圆周运动周期的一半．(×) (2)随着粒子加速，动能增大，半径和周期也随之而增大．(×) (3)回旋加速器的加速电压越大，带电粒子获得的最大动能越大．(×) 4、探究交流 带电粒子离开回旋加速器时的最大动能为什么与加速电压无关呢？ 【提示】　这是因为加速电压低，粒子会在D形盒中转过更多的圈数，被加速的次数更多，但最后射出时的最大半径仍为R，如果加速电压高，粒子在磁场中转过的圈数会减少，被加速的次数也会减少，最后射出时的最大半径还是R，即最大动能与加速电压无关。电场的频率应与粒子圆周运动的频率相等，频率f＝，在q、m、B一定的情况下，电场的频率也是确定值。 5、案例分析： 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，磁感应强度为B，磁场方向垂直于盒底面，离子源置于盒的圆心附近，若离子源射出的离子电荷量为q，质量为m，离子最大回旋半径为R，其运动轨迹如图所示。问： (1)盒内有无电场？ (2)离子在盒内做何种运动？ (3)所加交流电频率应是多大，离子角速度为多大？ (4)离子离开加速器时速度为多大，最大动能为多少？ 【审题指导】　(1)盒内只有磁场而无电场，离子在盒内做匀速圆周运动。 (2)交流电频率由离子做匀速圆周运动的周期决定。 (3)最大动能由最大回旋半径R决定 【解析】 (1)扁形盒由金属导体制成，扁形盒可屏蔽外电场，盒内只有磁场而无电场。 (2)离子在盒内做匀速圆周运动，每次加速之后半径变大。 (3)离子在电场中运动时间极短，因此高频交流电压频率要等于离子回旋频率、回旋频率f＝， 角速度ω＝2πf＝. (4)离子最大回旋半径为R，由牛顿第二定律得qvmB＝，其最大速度为vm＝，故最大动能Ekm＝mv＝. 二、质谱仪 1、原理图及特点 如图所示，S1与S2之间为加速电场；S2与S3之间的装置叫速度选择器，它要求E与B1垂直且E方向向右时，B1垂直纸面向外(若E反向，B1也必须反向)；S3下方为偏转磁场。 2、工作原理 ①加速 带电粒子进入加速电场后被加速，由动能定理有qU＝mv2。 ②速度选择 通过调节E和B1的大小，使速度v＝的粒子进入B2区。 ③偏转 R＝ ＝＝. 3、应用：常用来测定带电粒子的比荷(也叫荷质比)和分析同位素等。 4、思考判断 (1)比荷不同的带电粒子通过速度选择器的速度不同。(×) (2)电量相同而质量不同的带电粒子，以相同的速度进入匀强磁场后，将沿着相同的半径来做圆周运动。(×) (3)利用质谱仪可以检测化学物质或核物质中的同位素和不同成分．(√) 5、探究交流 什么样的粒子打在质谱仪显示屏上的位置会不同？位置的分布有什么规律？ 【提示】　速度相同．比荷不同的粒子打在质谱仪显示屏上的位置不同。 根据qvB＝，r＝。可见粒子比荷越大，偏转半径越小。 6、案例分析： 质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2.今有一质量为m、电荷量为e的正粒子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动。求： (1)粒子的速度v为多少？ (2)速度选择器的电压U2为多少？ (3)粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？ 【审题指导】　(1)在加速电场中，根据动能定理求解加速后的速度。 (2)在速度选择器中，根据粒子受力平衡条件确定U2 (3)在偏转磁场中，由洛伦兹力提供向心力确定偏转半径。 【解析】　(1)在a中，e被加速电场U1加速，由动能定理有 eU1＝mv2得v＝ (2)在b中，e受的电场力和洛伦兹力大小相等， 即e＝evB1代入v值得U2＝B1d (3)在c中，e受洛伦兹力作用而做圆周运动，回转半径R＝， 代入v值解得R＝ 三、带电粒子在复合场中的运动问题 　1、【案例分析】： 在平面直角坐标系xOy中，第Ⅰ象限存在沿y轴负方向的匀强电场，第Ⅳ象限存在垂直于坐标平面向外的匀强磁场，磁感应强度为B.一质量为m、电荷量为q的带正电的粒子从y轴正半轴上的M点以速度v0垂直于y轴射入电场，经x轴上的N点与x轴正方向成θ＝60°角射入磁场，最后从y轴负半轴上的P点垂直于y轴射出磁场，如图所示．不计粒子重力，求： (1)M、N两点间的电势差UMN； (2)粒子在磁场中运动的轨道半径r； (3)粒子从M点运动到P点的总时间t。 【审题指导】　本题考查带电粒子在匀强电场中的类平抛运动，在匀强磁场中的匀速圆周运动，属于典型的电偏转和磁偏转．此类问题画出带电粒子在整个过程的运动轨迹并分清其运动性质是解题关键，在解答时需综合运用力学和电学的知识与规律． 【解答】　(1)设粒子过N点时的速度为v，有＝cos θ 则v＝2v0 粒子从M点运动到N点的过程，有 qUMN＝mv2－mv 则UMN＝. (2)粒子在磁场中以O′为圆心做匀速圆周运动，半径为O′N，有qvB＝，所以r＝. (3)由几何关系得ON＝rsin θ 设粒子在电场中运动的时间为t1，有ON＝v0t1， 可解得t1＝ 粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期T＝ 设粒子在磁场中运动的时间为t2，有t2＝ 即t2＝，t＝t1＋t2，t＝. 2、带电粒子在复合场中的运动规律及解决办法 带电粒子在复合场中运动时，其运动状态是由粒子所受电场力、洛伦兹力和重力的共同作用来决定的，对于有轨道约束的运动，还要考虑弹力、摩擦力对运动的影响，带电粒子在复合场中的运动情况及解题方法如下： （1）平衡问题 静止或匀速直线运动合力为零，应利用平衡条件列方程求解。 （2）非平衡问题 匀速圆周运动重力和电场力平衡，洛伦兹力提供向心力，应利用平衡方程和向心力公式求解。非匀变速曲线运动洛伦兹力不做功，一般应用动能定理求解。 【小结】 引导学生观察图片上回旋加速器的结构 结合前面所学知识，引导学生分析。 学生思考： 带电粒子离开回旋加速器时的最大动能为什么与加速电压无关呢？ 学生思考; 在老师的引导下完成案例。 引导学生观察图片上回旋加速器的结构 学生思考： 什么样的粒子打在质谱仪显示屏上的位置会不同？位置的分布有什么规律？ 学生思考; 在老师的引导下完成案例。 学生思考; 在老师的引导下完成案例。 学生归纳总结。
板 书 设 计 一、回旋加速器 1、构造图及特点 2、工作原理 ①加速条件 交流电的周期必须跟带电粒子做圆周运动的周期相等，即T＝. ②加速特点 ③最大动能 最大速率vmax＝BR，最大动能为Ekm＝ 二、质谱仪 1、原理图及特点 2、工作原理 ①加速：由动能定理有qU＝mv2。 ②速度选择：v＝ ③偏转 R＝ ＝＝.
教 学 反 思