教科版物理选修3-1第三章 磁场5. 洛伦兹力的应用 （课件 共33张PPT）
文档属性
| 名称 | 教科版物理选修3-1第三章 磁场5. 洛伦兹力的应用 （课件 共33张PPT） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 2.3MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 教科版 | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2019-12-10 08:33:35 | ||
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文档简介
(共33张PPT)
3.5 洛伦兹力的应用
战胜自己 完美自我
战胜自己完美自我
老师们、同学们,早上好!
上周值周老师反映,学生在校园手机使用现象已有抬头趋势,光赵校长一人在自修课用当场发现3只,当时老师老师还在教室。因此现在有必要再重申校园不准使用手机的禁令,从思想上要提高认识,讲到禁止使用手机问题,我讲几个案例,09届有一个学生高一高二时成绩一般,当时任课老师一致认为他高考成绩只能上大专,但后来成绩提高较快,最后他考上了二本的院校,在大学里给我写的一封信。信这个同学讲述自己最后之所以成功,在于在手机这个问题上敢于自我反省、善于反思自己的不足,他曾经使用手机,但后来能慢慢做到自律,直至最后自己放下了心的那只手机。关于手机的故事我有很多,第一次在媒体上看到一个禁止学生使用手机的国家是法国,第一次在媒体上看到一个学生向学校领导提出在校园内禁止学生使用手机的是08年台州一的一位高三学生,他提出这个建议的理由是:深切感受到周围的同学因玩手机,使他们上课精神不振、学习成绩不断下滑。我从事教育工作以来接待过最伤心的一位家长,是她在我的办公室里整整哭诉了半天,因为她女儿来学校只有两个月,人瘦了7、8斤,原因是每天少吃一餐饭,节省下来的钱买
可见：对于一定的带电粒子。可以通过调节B和V0的大小来控制粒子的偏转角度。
偏转角
磁偏转的特点：只改变速度的方向，不改变速度的大小。
一、利用磁场控制带电粒子运动
实物应用：我们使用的各种显示器
它们的主要元件就是带有磁偏转装置的
显像管。
世界上第一只显像管
磁偏转与显像管
电子枪——产生高能电子束。
通电线圈——提供磁场，使电子束发生偏转。
荧光屏——使电子束发光。
显示器的基本元件及作用：
二、速度选择器
（1）如果将该粒子从右端射入，能沿直线射出吗？
2.思考：
（2）如果将负粒子从左端射入，能沿直线射出吗？
（3）不同电量，不同质量的带电粒子，以v0 入射，能射出吗？
1.原理：
＋＋＋＋＋＋
－－－－－－
B
挡板
+
①粒子只能沿一个确定的方向通过
能，速度选择器不选电性
能，速度选择器不选质量和电量
②只选速度，不选粒子
（4）如何确定磁场和电场的方向关系？
③假设一个正粒子穿过两板之间，根据受力平衡来判断
洛伦兹力大于电场力，带电粒子向洛伦兹力方向偏转，电场力将做负功，动能将减小，洛伦兹力也将减小，轨迹是曲线。
(5)若V小于V0带电向哪个方向偏转？
动能如何变化？
电场力将大于洛伦兹力，带电粒子向电场力方向偏转，电场力做正功，动能将增大，洛伦兹力也将增大,轨迹是曲线。
＋＋＋＋＋＋
－－－－－－
B
挡板
+
(6)若V大于V0带电向哪个方向偏转？动能如何变化？
1、在两平行金属板间有正交的匀强电场和匀强磁场，一个带电粒子垂直于电场和磁场方向射入场中，射出时粒子的动能减少了，为了使粒子射出时动能增加，在不计重力的情况下，可采取的办法是（ ）
A.增大粒子射入时的速度
B.减小磁场的磁感应强度
C.增大电场的电场强度
D.改变粒子的带电性质
BC
2.如图所示是粒子速度选择器的原理图，如果粒子所具有的速率v=E/B，那么 ( )
A．带正电粒子必须沿ab方向从左侧进入场区，才能沿直线通过
B. 带负电粒子必须沿ba方向从右侧进入场区，才能沿直线通过
C．不论粒子电性如何，沿ab方向从左侧进入场区，都能沿直线通过
D. 不论粒子电性如何，沿ba方向从右侧进入场区，都能沿直线通过
AC
1.作用：测定带电粒子荷 质比的仪器。
2.结构：
3.工作原理：
（1）加速：动能定理
（2）速度选择：
（3）偏转：
（4）测比荷：
三、质谱仪
测质量：
经过速度选择器的粒子有相同的速度
不同比荷的粒子，在B2中的半径不同
根据打在底片的不同位置半径，可以检测出同位素
·
·
·
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U
q
S
S1
x
P
B
1、质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图，离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看作为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x，可以判断( )
A、若离子束是同位素，则x越大，离子质量越大
B、若离子束是同位素，则x越大，离子质量越小
C、只要x相同，则离子质量一定相同
D、只要x相同，则离子的荷质比一定相同
AD
2、改进的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？
1．加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，qU=?Ek
2．直线加速器，多级加速
如图所示是多级加速装置的原理图：
（一）、直线加速器
由动能定理得:带电粒子经n极的电场加速后增加的动能为：
四、加速器
缺点：直线加速器占有的空间范围大，在有限的空 间范围内制造直线加速器受到一定的限制．
1966年建成的美国斯坦福电子直线加速器管长3050米.
直线加速器占地太大，能不能让它小一点
？
劳伦斯（1901－1958）：美国物理学家
回旋加速器
加速条件：交流电源的周期与带电粒子在匀强 磁场中做匀速圆周运动的周期相同.
结构：两个 D 形金属扁盒，在其上加有磁场和交变的电场，两个 D形盒缝隙中心附近有离子源。
回旋加速器应注意的几个问题：
1.粒子每经过一个周期，被电场加速几次？
3.每加速一次，半径如何变化？半径之比是多少？
2.回旋周期跟两盒狭缝之间高频电场的变化周期有何关系？
4.每次加速后，粒子的运动周期如何变化？
①粒子每运动一个周期，被加速两次
②粒子的回旋周期与交变电场的周期相同
③每加速一次半径变大，半径之比为：
④每次加速粒子的运动周期不变，
5.带电粒子获得的最大速度是多少？
可见，带电粒子获得的最大能量取决于：D形盒的半径R，磁感应强度B.
那么粒子获得的最大能量为：
粒子运动的最大速度为：
⑤带电粒子做圆周运动的最大半径只能等于圆形盒的半径：
与加速电压无关！
6. 如何计算加速的次数？
⑥改变加速电压U，只能改变被加速次数，U越大，加速次数越少。不能改变最大动能。
7. （1）加速粒子在磁场中运动的时间？
（2）加速粒子电场中运动的时间？
（相当于“匀加速直线运动”）
t磁 >> t电 通常可忽略
思考：回旋加速器能不能无限提高粒子的能量？
答：据相对论理论知识，粒子速度被加速到接近光速，质量明显增强，周期也增加，破坏了回旋加速器的同步条件。
目前世界上最大的回旋加速器在美国费米加速实验室，环形管道的半径为2公里。产生的高能粒子能量为5000亿电子伏特。
北京正负电子对撞机改造后的直线加速器
1、关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正确的是( )
A、电场和磁场都对带电粒子起加速作用
B、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的
C、只有电场能对带电粒子起加速作用
D、磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动
CD
2、下列关于回旋加速器的说法中，正确的是 （ ）
A．D形盒内既有匀强磁场，又有匀强电场
B．电场和磁场交替使带电粒子加速
C．磁场的作用是使带电粒做圆周运动，获得多次被加速的机会
D．带电粒子在D形盒中运动的轨道半径不断增大，周期也不断增大
C
五、磁流体发电机
1、图示为磁流体发电机的示意图，将气体加热到很高的温度，使它成为等离子体(含有大量正、负离子)，让它以速度v通过磁感应强度为B的匀强磁场区，这里有间距为d的电极板a和b，外电路电阻为R．
(1)哪个电极为正极?
(2)计算电极板间的电势差．
下极板为正极，U=Bvd
绝缘材料
V
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
当管内正负离子运动稳定时，管中流体的流速为：
六、电磁流量计
绝缘材料
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
a
b
c
V
六、电磁流量计
例：假设流量计是如图所示的一段非磁性材料制成的
圆柱形的管道，相关参量如图所示，内径为D，
磁感应强度为B，求：
若管壁上a、b两点间电势差为U，求流量Q。
厚度为h、宽度为d的金属板放在垂直于磁感应强度为B的匀强磁场中，当电流流过导体板时，在导体板上下侧面间会产生电势差U，这种现象叫霍尔效应。
上表面、下表面哪个面的电势高?
下表面
qE=qvB
I=nqvS
U=Eh
电势差如何计算？
思考：
如果电流是正电荷定向移动形成的，则电势哪端高？
七、霍尔效应
1、有一个未知的匀强磁场，用如下方法测其磁感应强度，如图所示，把一个横截面是矩形的铜片放在磁场中，使它的上、下两个表面与磁场平行，前、后两个表面与磁场垂直．当通入从左向右的电流 I 时，连接在上、下两个表面上的电压表示数为U．已知铜片中单位体积内自由电子数为n，电子质量m，带电量为e，铜片厚度（前后两个表面厚度）为d，高度（上、下两个表面的距离）为h，求磁场的磁感应强度B．
h
d
A
I
B
V
解：达到动态平衡时有
qvB=qE=qU/h
B=U/vh
∵I=nevS=nevhd
∴ vh=I/ned
∴ B=Udne/I
3.5 洛伦兹力的应用
战胜自己 完美自我
战胜自己完美自我
老师们、同学们,早上好!
上周值周老师反映,学生在校园手机使用现象已有抬头趋势,光赵校长一人在自修课用当场发现3只,当时老师老师还在教室。因此现在有必要再重申校园不准使用手机的禁令,从思想上要提高认识,讲到禁止使用手机问题,我讲几个案例,09届有一个学生高一高二时成绩一般,当时任课老师一致认为他高考成绩只能上大专,但后来成绩提高较快,最后他考上了二本的院校,在大学里给我写的一封信。信这个同学讲述自己最后之所以成功,在于在手机这个问题上敢于自我反省、善于反思自己的不足,他曾经使用手机,但后来能慢慢做到自律,直至最后自己放下了心的那只手机。关于手机的故事我有很多,第一次在媒体上看到一个禁止学生使用手机的国家是法国,第一次在媒体上看到一个学生向学校领导提出在校园内禁止学生使用手机的是08年台州一的一位高三学生,他提出这个建议的理由是:深切感受到周围的同学因玩手机,使他们上课精神不振、学习成绩不断下滑。我从事教育工作以来接待过最伤心的一位家长,是她在我的办公室里整整哭诉了半天,因为她女儿来学校只有两个月,人瘦了7、8斤,原因是每天少吃一餐饭,节省下来的钱买
可见：对于一定的带电粒子。可以通过调节B和V0的大小来控制粒子的偏转角度。
偏转角
磁偏转的特点：只改变速度的方向，不改变速度的大小。
一、利用磁场控制带电粒子运动
实物应用：我们使用的各种显示器
它们的主要元件就是带有磁偏转装置的
显像管。
世界上第一只显像管
磁偏转与显像管
电子枪——产生高能电子束。
通电线圈——提供磁场，使电子束发生偏转。
荧光屏——使电子束发光。
显示器的基本元件及作用：
二、速度选择器
（1）如果将该粒子从右端射入，能沿直线射出吗？
2.思考：
（2）如果将负粒子从左端射入，能沿直线射出吗？
（3）不同电量，不同质量的带电粒子，以v0 入射，能射出吗？
1.原理：
＋＋＋＋＋＋
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B
挡板
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①粒子只能沿一个确定的方向通过
能，速度选择器不选电性
能，速度选择器不选质量和电量
②只选速度，不选粒子
（4）如何确定磁场和电场的方向关系？
③假设一个正粒子穿过两板之间，根据受力平衡来判断
洛伦兹力大于电场力，带电粒子向洛伦兹力方向偏转，电场力将做负功，动能将减小，洛伦兹力也将减小，轨迹是曲线。
(5)若V小于V0带电向哪个方向偏转？
动能如何变化？
电场力将大于洛伦兹力，带电粒子向电场力方向偏转，电场力做正功，动能将增大，洛伦兹力也将增大,轨迹是曲线。
＋＋＋＋＋＋
－－－－－－
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(6)若V大于V0带电向哪个方向偏转？动能如何变化？
1、在两平行金属板间有正交的匀强电场和匀强磁场，一个带电粒子垂直于电场和磁场方向射入场中，射出时粒子的动能减少了，为了使粒子射出时动能增加，在不计重力的情况下，可采取的办法是（ ）
A.增大粒子射入时的速度
B.减小磁场的磁感应强度
C.增大电场的电场强度
D.改变粒子的带电性质
BC
2.如图所示是粒子速度选择器的原理图，如果粒子所具有的速率v=E/B，那么 ( )
A．带正电粒子必须沿ab方向从左侧进入场区，才能沿直线通过
B. 带负电粒子必须沿ba方向从右侧进入场区，才能沿直线通过
C．不论粒子电性如何，沿ab方向从左侧进入场区，都能沿直线通过
D. 不论粒子电性如何，沿ba方向从右侧进入场区，都能沿直线通过
AC
1.作用：测定带电粒子荷 质比的仪器。
2.结构：
3.工作原理：
（1）加速：动能定理
（2）速度选择：
（3）偏转：
（4）测比荷：
三、质谱仪
测质量：
经过速度选择器的粒子有相同的速度
不同比荷的粒子，在B2中的半径不同
根据打在底片的不同位置半径，可以检测出同位素
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S1
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P
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1、质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图，离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看作为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x，可以判断( )
A、若离子束是同位素，则x越大，离子质量越大
B、若离子束是同位素，则x越大，离子质量越小
C、只要x相同，则离子质量一定相同
D、只要x相同，则离子的荷质比一定相同
AD
2、改进的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？
1．加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，qU=?Ek
2．直线加速器，多级加速
如图所示是多级加速装置的原理图：
（一）、直线加速器
由动能定理得:带电粒子经n极的电场加速后增加的动能为：
四、加速器
缺点：直线加速器占有的空间范围大，在有限的空 间范围内制造直线加速器受到一定的限制．
1966年建成的美国斯坦福电子直线加速器管长3050米.
直线加速器占地太大，能不能让它小一点
？
劳伦斯（1901－1958）：美国物理学家
回旋加速器
加速条件：交流电源的周期与带电粒子在匀强 磁场中做匀速圆周运动的周期相同.
结构：两个 D 形金属扁盒，在其上加有磁场和交变的电场，两个 D形盒缝隙中心附近有离子源。
回旋加速器应注意的几个问题：
1.粒子每经过一个周期，被电场加速几次？
3.每加速一次，半径如何变化？半径之比是多少？
2.回旋周期跟两盒狭缝之间高频电场的变化周期有何关系？
4.每次加速后，粒子的运动周期如何变化？
①粒子每运动一个周期，被加速两次
②粒子的回旋周期与交变电场的周期相同
③每加速一次半径变大，半径之比为：
④每次加速粒子的运动周期不变，
5.带电粒子获得的最大速度是多少？
可见，带电粒子获得的最大能量取决于：D形盒的半径R，磁感应强度B.
那么粒子获得的最大能量为：
粒子运动的最大速度为：
⑤带电粒子做圆周运动的最大半径只能等于圆形盒的半径：
与加速电压无关！
6. 如何计算加速的次数？
⑥改变加速电压U，只能改变被加速次数，U越大，加速次数越少。不能改变最大动能。
7. （1）加速粒子在磁场中运动的时间？
（2）加速粒子电场中运动的时间？
（相当于“匀加速直线运动”）
t磁 >> t电 通常可忽略
思考：回旋加速器能不能无限提高粒子的能量？
答：据相对论理论知识，粒子速度被加速到接近光速，质量明显增强，周期也增加，破坏了回旋加速器的同步条件。
目前世界上最大的回旋加速器在美国费米加速实验室，环形管道的半径为2公里。产生的高能粒子能量为5000亿电子伏特。
北京正负电子对撞机改造后的直线加速器
1、关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正确的是( )
A、电场和磁场都对带电粒子起加速作用
B、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的
C、只有电场能对带电粒子起加速作用
D、磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动
CD
2、下列关于回旋加速器的说法中，正确的是 （ ）
A．D形盒内既有匀强磁场，又有匀强电场
B．电场和磁场交替使带电粒子加速
C．磁场的作用是使带电粒做圆周运动，获得多次被加速的机会
D．带电粒子在D形盒中运动的轨道半径不断增大，周期也不断增大
C
五、磁流体发电机
1、图示为磁流体发电机的示意图，将气体加热到很高的温度，使它成为等离子体(含有大量正、负离子)，让它以速度v通过磁感应强度为B的匀强磁场区，这里有间距为d的电极板a和b，外电路电阻为R．
(1)哪个电极为正极?
(2)计算电极板间的电势差．
下极板为正极，U=Bvd
绝缘材料
V
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当管内正负离子运动稳定时，管中流体的流速为：
六、电磁流量计
绝缘材料
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六、电磁流量计
例：假设流量计是如图所示的一段非磁性材料制成的
圆柱形的管道，相关参量如图所示，内径为D，
磁感应强度为B，求：
若管壁上a、b两点间电势差为U，求流量Q。
厚度为h、宽度为d的金属板放在垂直于磁感应强度为B的匀强磁场中，当电流流过导体板时，在导体板上下侧面间会产生电势差U，这种现象叫霍尔效应。
上表面、下表面哪个面的电势高?
下表面
qE=qvB
I=nqvS
U=Eh
电势差如何计算？
思考：
如果电流是正电荷定向移动形成的，则电势哪端高？
七、霍尔效应
1、有一个未知的匀强磁场，用如下方法测其磁感应强度，如图所示，把一个横截面是矩形的铜片放在磁场中，使它的上、下两个表面与磁场平行，前、后两个表面与磁场垂直．当通入从左向右的电流 I 时，连接在上、下两个表面上的电压表示数为U．已知铜片中单位体积内自由电子数为n，电子质量m，带电量为e，铜片厚度（前后两个表面厚度）为d，高度（上、下两个表面的距离）为h，求磁场的磁感应强度B．
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I
B
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解：达到动态平衡时有
qvB=qE=qU/h
B=U/vh
∵I=nevS=nevhd
∴ vh=I/ned
∴ B=Udne/I
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