高中物理粤教版选修3-1 3.6洛伦兹力与现代技术 课件2(31张PPT)

(共31张PPT)
第三章
磁
场
第
六
节
洛伦兹力与现代技术
一、带电粒子在匀强磁场中的运动
（1）带电粒子平行于磁场方向射入时，带电粒子不受力，做__________运动；
（2）带电粒子垂直于磁场方向射入时，洛伦兹力总始终与速度方向______,
所以洛伦兹力对带电粒子______
。
（3）带电粒子垂直于磁场方向射入时，洛伦兹力总与速度方向______,起到向心力的作用，所以带电粒子在匀强磁场中做__________运动．
匀速直线
垂直
匀速圆周
垂直
不做功
课前预习
（4）圆周运动的半径和周期
质量为m、带电量为q的粒子，以速度v垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场，粒子做匀速圆周运动所需向心力是由__________提供,根据牛顿第二定律和圆周运动公式求得半径与周期．
洛伦兹力
课前预习
二、质谱仪
(1)原理图：如图所示．
（2）加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得：______＝mv2
（3）带电粒子进入速度选择器，满足__________得v＝，匀速直线通过．
（4）偏转：带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力：______＝
qU
qvB2
课前预习
qE＝qvB1
二、质谱仪
(5)带电粒子打到照相底片，可得比荷因此，利用质谱仪可以测定粒子的比荷．
(6)应用:测定带电粒子的_______和分析_________．
质量
同位素
课前预习
三、回旋加速器
（1）构造图：如图所示．回旋加速器的核心部件是两个_________．
D形盒
(2)原理：交流电的周期和粒子做圆周运动的周期，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。
(3)由qvB＝，得Ekm＝，可见粒子获得的最大动能由__________决定，与加速电压_______
相等
无关
qmBR
课前预习
新课引入：
1.带电粒子平行射入匀强磁场的运动状态？
（重力不计）
新课教学
匀速直线运动
2.带电粒子垂直射入匀强磁场将如何运动？
（重力不计）
猜想:带电粒子将在垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动
亥姆霍兹线圈
加速电压选择挡
磁场强弱选择挡
电
子
枪
洛伦兹力演示仪
实验验证
新课教学
带电粒子在匀强磁场中的运动
新课教学
实验结论:
1.带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动
2.粒子做圆周运动的半径与粒子速度有关,半径随速度的增大而增大
3.粒子做圆周运动的半径与磁场强弱有关,半径随磁场的增强而减小
新课教学
1.粒子做圆周运动的半径：
2.粒子做圆周运动的周期
周期T与运动速度及运动半径无关
新课教学
一、带电粒子在磁场中的圆周运动
例1.一个带电粒子沿垂直于磁场方向射入一匀强磁场，粒子的一段运动径迹如图所示，径迹上每一小段可近似看成圆弧，由于带电粒子的运动使沿途的空气电离，粒子的动能逐渐减小（电量不变），从图中情况可以确定（　　　　）
A、粒子从a到b，带正电
Ｂ、粒子从b到a，带正电
Ｃ、粒子从a到b，带负电
Ｄ、粒子从b到a，带负电
Ｂ
典例精析
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
a。
b。
粒子动能减小,粒子的速度减小,故轨迹半径越来越小
利用左手定则判断电性
二、质谱仪原理分析
1、质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具
质谱仪与现代科技
新课教学
2、质谱仪基本原理
新课教学
例2.一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为Ｕ的加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为Ｂ的匀强磁场中，最后打到照相底片Ｄ上求：
（１）求粒子进入磁场时的速率
（２）求粒子在磁场中运动的轨道半径
典例精析
例2.一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为Ｕ的加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为Ｂ的匀强磁场中，最后打到照相底片Ｄ上求：
（１）求粒子进入磁场时的速率
粒子初速度为零
粒子经电场加速
典例精析
例2.一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为Ｕ的加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为Ｂ的匀强磁场中，最后打到照相底片Ｄ上求：
（２）求粒子在磁场中运动的轨道半径
粒子在磁场中做圆周运动，洛伦兹力提供向心力
典例精析
三、回旋加速器
1、直线加速器
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Ek=qU
由动能定理得带电粒子经几级的电场加速后增加的动能为Ek=q(
U1+U2+U3+··········+Un
)
新课教学
若需要很大的动能的粒子，利用直线加速器是否方便？为什么？那应该怎么办？
2、回旋加速器
（1）构造
新课教学
3、带电粒子的最终能量
当带电粒子的速度最大时，其在磁场中的转动半径也最大，由r=mv/qB知道v=qBr/m
若D形盒的半径为R时，带电粒子的出射速度变为v=qBR/m
所以，带电粒子的最终动能为
即粒子的最终动能由磁感应强度B和D形盒的半径R决定
新课教学
4、交流电的周期:
交流电的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期
例3.
回旋加速器盒内的狭缝中有匀强电场，使粒子每次穿过狭缝时都得到加速，两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为R.
(1)粒子在盒内做何种运动；
(2)所加交变电流频率及粒子角速度；
(3)粒子离开加速器时的最大速度及最大动能．
典例精析
例3.
题目已知粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为R.
(1)粒子在盒内做何种运动；
答案:带电粒子在盒内在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，每次加速之后半径变大．
典例精析
例3.题目已知粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为R.
(2)所加交变电流频率及粒子角速度
提示:交流电的周期等于粒子做圆周运动的周期
解析:(2)
高频交变电流频率要等于粒子回旋频率，因为T＝，回旋频率f＝＝，角速度ω＝2πf＝.
典例精析
例3.题目已知粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为R.
(3)粒子离开加速器时的最大速度及最大动能
提示:粒子运动半径等于D形盒时,速度最大,动能最大
解析:(3)由牛顿第二定律知＝qBvmax
则Rmax＝，vmax＝
最大动能Ekmax＝m＝
典例精析
例4.已知氢核与氦核的质量之比m1∶m2＝1∶4，电荷量之比q1∶q2＝1∶2，当氢核与氦核以v1∶v2＝4∶1的速度，垂直于磁场方向射入磁场后，分别做匀速圆周运动，则氢核与氦核半径之比r1∶r2＝________，周期之比T1∶T2＝________.
典例精析
由洛伦兹力提供向心力确定半径大小
利用周期公式分析求解
例4.已知:
质量之比m1∶m2＝1∶4，
电荷量之比q1∶q2＝1∶2，
速度之比v1∶v2＝4∶1
求:
半径之比r1∶r2
周期之比T1∶T2
典例精析
答案　2∶1　1∶2
1．两个粒子，电荷量相等，在同一匀强磁场中只受磁场力而做匀速圆周运动(　　)
A．若速率相等，则半径必相等
B．若质量相等，则周期必相等
C．若周期相等，则半径必相等
D．若动能相等，则半径必相等
答案：B
课堂练习
2．在回旋加速器中(　　)
A．电场用来加速带电粒子，磁场则使带电粒子回旋
B．电场和磁场同时用来加速带电粒子
C．磁场相同的条件下，回旋加速器的半径越大，则带电粒子获得的动能越大
D．同一带电粒子获得的最大动能只与交流电压的大小有关，而与交流电压的频率无关
答案　AC
课堂练习
3．如图所示，有界匀强磁场边界线SP∥MN，速率不同的同种带电粒子从S点沿SP方向同时射入磁场．其中穿过a点的粒子速度v1与MN垂直；穿过b点的粒子速度v2与MN成60°角，设粒子从S到a、b所需时间分别为t1和t2，则t1∶t2为(重力不计)
(　　)
A．1∶3
B．4∶3
C．1∶1
D．3∶2
答案　D
课堂练习
4、如图所示，在第Ⅰ象限内有垂直于纸面向里的匀强磁场，一对正、负电子分别以相同速率以与x轴成30°的方向从原点射入磁场，则正、负电子在磁场中运动的时间之比为(　　)
A．1∶2　　　　　　B．2∶1
C．1∶
D．1∶1
课堂练习
解析：由T＝
可知，正、负电子
的运动周期相同
作出正、负电子运动轨迹如图所示，
正电子运动的圆心角等于120°
负电子运动的圆心角等于60°
由t＝，得t正∶t负＝θ正∶θ负＝2∶1
故B正确.
答案：B
课堂练习