6.3 洛伦兹力的应用 课件 (1)

课件49张PPT。第3节　洛伦兹力的应用目标导航
1.知道洛伦兹力对运动电荷不做功，它只改变速度的方向，不改变速度的大小．
2．知道垂直射入匀强磁场的带电粒子在磁场中做匀速圆周运动．
3．会应用公式F＝qvB推导带电粒子做匀速圆周运动的半径、周期公式，并能解决带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的有关问题．(重点＋难点)
4．理解回旋加速器、质谱仪的工作原理．(重点)一、带电粒子在磁场中的运动
1．洛伦兹力不对粒子____，它不改变粒子的_____，只改变粒子的__________．
2．实验探究
(1)实验装置：________演示仪，
如图所示．做功速率运动方向洛伦兹力(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．
(3)实验现象
①当没有磁场作用时,电子的运动轨迹是____.
②当电子垂直射入磁场时，电子的运动轨迹是______．
③当电子斜射入磁场时，电子的运动轨迹是________．阴极射线汞蒸气直线圆周螺旋线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．匀速洛伦兹力轨道半径运动速率想一想
1．若带电粒子的速度方向与磁感线平行，粒子将做什么运动？
提示：速度与磁感线平行时，粒子不受洛伦兹力作用，所以粒子将做匀速直线运动．二、回旋加速器和质谱仪
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(如图所示)D形盒(3)工作原理：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)______ ．垂直匀速圆周运动速率半径电场相同2．质谱仪
(1)功能：分析各化学元素的________并测定其_____、含量的仪器．
(2)原理图(如图)同位素质量qU反比比荷顺序质谱仪(4)其他应用：可以准确地测定每种离子的质量和分析_______．
想一想
2．在回旋加速器中，匀强磁场的作用是什么?
提示：使带电粒子在洛伦兹力作用下作匀速圆周运动，实现“回旋”．同位素要点一　带电粒子在磁场中的运动
?学案导引
1．带电粒子在匀强磁场中的运动一定是匀速圆周运动吗？
2．研究带电粒子在匀强磁场中的圆周运动时关键要解决哪些问题？(2)分析方法：画轨迹，找圆心，求半径，定圆心角．
①圆心的确定
带电粒子垂直进入磁场后，一定做圆周运动，其速度方向一定沿圆周的切线方向，因此圆心的位置必是两速度方向垂线的交点或某一速度方向的垂线与圆周上两
点连线中垂线的交点，
如图所示．④圆心角的确定
a．带电粒子射出磁场的速度方向与射入磁场的速度方向间的夹角φ叫偏向角．偏向角等于圆心角即α＝φ，如图．
b．某段圆弧所对应的圆心角
是这段圆弧弦切角的二倍，
即α＝2θ.特别提醒：(1)带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的条件是：匀强磁场且与磁场垂直的方向射入磁场．
(2)分析方法三步曲：
①画轨迹：可确定圆心求出半径．
②找联系：r与B、v，θ与t，t与T的联系．
③用规律：牛顿第二定律及r、T的公式． (2011·高考海南卷改编)空间存在方向垂直于纸面向里的匀强磁场，图中的正方形为其边界．一细束由两种粒子组成的粒子流沿垂直于磁场的方向从O点入射．这两种粒子带同种电荷，它们的电荷量、质量
均不同，但其比荷相同，且
都包含不同速率的粒子．不
计重力．下列说法正确的是(　　)A．入射速度不同的粒子在磁场中的运动时间一定不同
B．入射速度相同的粒子在磁场中的运动轨迹一定相同
C．在磁场中运动时间相同的粒子，其运动轨迹一定相同
D．在磁场中运动时间越长的粒子，其轨迹所对的圆心角一定越小【答案】　B变式训练
1．如图所示，一束电子(电荷量为e)以速度v垂直射入磁感应强度为B、宽为d的匀强磁场中，穿透磁场时速度方向与原
来入射方向的夹角是30°，则
电子的质量是________，穿透
磁场的时间是________．答案：2dBe/v　πd/(3v)要点二　洛伦兹力在实际中的应用
?学案导引
1．回旋加速器，磁流体发电机，质谱仪都是洛伦兹力的应用，它们的原理有什么不同？
2．回旋加速器中交变电压的周期由什么决定？
3．质谱仪中,比荷越大的粒子偏转距离越大吗？2．速度选择器
(1)原理：如图所示，带电粒子所受重力可忽略不计，粒子在两板间同时受到电场力和洛伦兹力，只有当二力平衡时，粒子才不发生偏转，沿直线穿过两板间．3．质谱仪
质谱线：电荷量相同，而质量有微小差别的一群带电粒子．经过电场加速，进入磁场后将沿着不同半径做圆周运动，而打在照相底片上不同的地方，在底片上形成若干线状的细条，叫质谱线． 回旋加速器是用于加速带电粒子流,使之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，以便在盒间狭缝中形成匀强电场，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，若粒子源射出粒子电量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rm，其运动轨迹如图所示，问
(1)粒子在盒内做何种运动？
(2)粒子在两盒间狭缝内做何种运动？
(3)所加交变电压频率为多大？粒子运动角速度多大？
(4)粒子离开加速器时速度多大？【精讲精析】　(1)D形盒由金属导体制成，可屏蔽外电场，因而盒内无电场，盒内存在垂直盒面的磁场，故粒子在盒内磁场中做匀速圆周运动．
(2)两盒间狭缝内存在匀强电场，且粒子速度方向与电场方向在同条直线上，故粒子做匀加速直线运动．变式训练
2．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的正电子(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
半径为R的匀速圆周运动，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？带电粒子在复合场中的运动
[经典案例]　(10分)已知质量为m的带电液滴,以速度v射入互相垂直的匀强电场E和匀强磁场B中，液滴在此空间刚好
能在竖直平面内做匀速圆
周运动．如图所示．求：(1)液滴在空间受到几个力的作用．
(2)液滴带的电荷量及电性．
(3)液滴做匀速圆周运动的半径多大？
【思路点拨】　由于液滴做匀速圆周运动，结合洛伦兹力的特点，可知液滴所受的重力与电场力平衡，合力等于洛伦兹力．【解题样板】　(1)由于是带电液滴，它必然受重力，又处于电场与磁场中，还应受到电场力和洛伦兹力共三个力的作用．(2分)
(2)因液滴做匀速圆周运动，故必须满足重力与电场力平衡，所以液滴应带负电，电荷量由mg＝Eq，(2分)
求得：q＝mg/E.(2分)【名师点评】　在复合场中，如果粒子在竖直平面内做匀速圆周运动，则粒子所受重力与电场力必平衡，即仅由洛伦兹力提供向心力.我国的回旋加速器
我国第一台回旋加速器于1958年在中国原子能科学研究院建成，与我国第一台重水反应堆并称为“一堆一器”，是我国步入原子能时代的标志．它曾连续运行三十几年，为我国低能核物理基础与应用研究做出了历史性贡献，培养了大批人才，取得了丰硕的科研成果．我国自主研制的第一台生产放射性同位素的回旋加速器，1996年5月9日通过了国家计委的验收．这表明我国的回旋加速器研制技术跨进了90年代国际先进水平．我国第一台回旋加速器主磁铁景观工程于2007年7月27日竣工验收．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2×2.8 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10～1000 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．