2012新课标同步导学物理[沪科版]课件：选修3-1第5章 5．6　洛伦兹力与现代科技

(共51张PPT)
5.6　洛伦兹力与现代科技
在现代物理学实验中，人们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，怎样才能在实验室产生大量高能量的带电粒子呢？这就要用一种新的实验设备——加速器．加速器的种类很多，回旋加速器就是
其中的一种，回旋加速器的原理是怎样的？
1．要点剖析
(1)主要构造：如右图所示．①带电粒子注入器；②加速电场(U)；③速度选择器(E、B1)；④偏转磁场(B2)；⑤照相底片．
(3)由上式可知，电荷量相同，如果质量有微小的差别，就会打在P处的不同位置处．如果在P处放上底片，就会出现一系列的谱线，不同的质量就对着一根确定的谱线，叫做质谱线，能完成这种工作的仪器就称为质谱仪．利用质谱仪对某种元素进行测量，可以准确地测出各种同位素的原子质量．
质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的，现已成了一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．
2．思维拓展
(1)带电粒子在复合场中运动的解题方法
带电粒子在复合场中运动是指在电场、磁场和重力场并存的空间中运动．此类题型综合性强、难度大，求解时关键要注意从如下几方面去把握：
①正确地分析带电粒子的受力情况．判断带电粒子受重力作用能否忽略不计(一般带电物体、小球、微粒、液滴等所受重力均不能忽略)，电场力和洛伦兹力的大小和方向怎样．这些问题必须根据题意以及各场力的特征作出全面、正确的分析；
②正确地分析带电粒子运动情况．要确定：带电粒子做什么运动？是匀速还是变速？是直线还是曲线？有哪些运动过程？最典型的运动状态有平衡状态以及类平抛运动和匀速圆周运动等；
③善于从功和能的角度分析问题．洛伦兹力的方向总是与速度方向垂直，所以f不做功；重力和电场力做功与路径无关，做正功势能减少，做负功势能增大；
④准确从动量和电荷量切入问题．对于两个相互作用的带电粒子或系统，注意运用动量守恒和电荷量守恒的思想切入问题．对此类问题的切入方法不对，必然导致解题的错误；
⑤灵活地运用力学规律求解问题．在全面、正确的分析基础上，画好必要的受力图和运动轨迹图，再根据带电粒子的运动状态和过程，灵活地运用各种力学规律：如平衡条件、牛顿定律、动量守恒定律、功能关系等．
(2)关于磁流体发电机
①等离子体：即高温下电离的气体，含
有大量的带正电荷和负电荷的微粒，而从整
体来说呈中性．
通常状态下的空气呈电中性，对外不显
电性，但在高温下的气体(如雷雨放电、电弧焊、高压放电等条件下)被电离成正负离子，从而使原本呈电中性的空气成为包含正离子、负离子和空气分子的导电气体，处于这种状态的气体称为等离子体．自然界中的闪电通道、电弧焊的放电通道等都是等离子体．如上图所示中匀强磁场的磁感应强度为B.
②磁流体发电机的原理：如上图所示，垂直进入匀强磁场的等离子体，因只受洛伦兹力的作用而使粒子发生偏转．据左手定则可知：正粒子打在A板上；负粒子打在B板上，从而在AB之间形成电场，且电场越来越强，直到粒子所受的电场力与洛伦兹力相等为止．此时，发电机内部就形成了正交的电、磁场，其中的粒子就做匀速直线运动，即相当于速度选择器．
3．易误警示
(1)速度选择器两极板间距离极小，粒子稍有偏转，即打到极板上．
(2)速度选择器对正、负电荷均适用．
(3)速度选择器中的E、B1的方向具有确定的关系，仅改变其中一个方向，就不能对速度做出选择．
1．要点剖析
(1)主要构造
如右图所示：①粒子源；②两个D形金属盒；③匀强磁场；④高频电源；⑤粒子引出装置；⑥真空容器(图中未标出)．
(2)工作原理
如下图所示，从位于两D形盒的缝隙中央处的粒子源放射出的带电粒子，经两D形盒间的电场加速后，垂直磁场方向进入某一D形盒内，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，经磁场偏转半个周期后又回到缝隙．此时缝隙间的电场方向恰好改变，带电粒子在缝隙中再一次被加速，以更大的速度进入另一D形盒做匀速圆周运动……这样，带电粒子不断地被加速，直至带电粒子在D形盒沿螺线轨道逐渐趋于盒的
边缘，达到预期的速率后，用特殊
装置把它们引出．
②多级加速
如下图所示是多级加速装置的原理图，由动能定理得，带电粒子经n级的电场加速后增加的动能为ΔEk＝q(U1＋U2＋U3＋…＋Un)．
③直线加速器的优缺点
多级加速器也经常叫做直线加速器．
优点：使带电粒子达到很大的速度．
缺点：多级加速器占用的空间范围太大，目前已经建成的直线加速器有的几公里长，甚至几十公里长，所以在有限的范围内制造多级加速器会受到很大的限制．
③能否无限制地回旋加速：由于相对论效应，当粒子速率接近光速时，粒子的质量将显著增加，从而粒子做圆周运动的周期将随粒子速率的增大而增大，如果加在D形盒两极的交变电场的周期不变的话，粒子由于每次“迟到”一点，就不能保证经过窄缝时总被加速．因此，同步条件被破坏，就不能再提高粒子的速率了．
④D形盒必须是金属盒，这是因为金属盒可以屏蔽外界电场对粒子运动的影响，这样才能保证粒子在盒内磁场中只受洛伦兹力而做匀速圆周运动．
质谱仪是用来测定带电粒子质量的一种装置，如下图所示，电容器两极板相距为d，两板间电压为U，极板间的匀强磁场的磁感应强度为B1，方向垂直纸面向外．一束电荷量相同质量不同的带正电荷的粒子沿电容器的中线平行于极板射入电容器，沿直线穿过电容器后进入另一磁感应强度为B2、方向垂直纸面向外的匀强磁场．结果分别打在感光片上的a、b两点，设a、b两点之间距离为Δx，粒子所带电荷量为q，且不计重力．求：
(1)粒子进入磁场B2时的速度v；
(2)打在a、b两点的粒子的质量之差Δm.
根据带电粒子所处的状态确定粒子受力特点．如粒子在电容器中做直线运动，表明垂直于直线方向上合力为零；如带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，表明洛伦兹力充当向心力等．
1.如右图所示的装置中，设法使某种有机化合物的气态分子导入容器A中，使它受到电子束轰击，失去一个电子变成正一价的离子．分子离子从狭缝S1，以很小的速度进入电压为U的加速电场区(初速不计)，加速后，再通过狭缝S2、S3射入磁感应强度为B的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQ.最后分子离子打在感光片上，形成垂直于纸面且平行
于狭缝S3的细线．若测得细线到狭缝S3
的距离为d，试导出分子离子的质量m
的表达式．
如右图所示，回旋加速器是获得高能带电粒子的一种实验装置，它的核心部分相当于一个圆形的金属扁盒沿着直径切成两个D形盒，两个D形盒之间有一条很窄的狭缝，带电粒子源放在盒子的中心附近，整个装置都处在真空室中，磁感应强度为B的匀强磁场垂直于D形盒的两个圆形底面，高频加速电源的两个极，分别与两个D形盒相连，
因此两个D形盒的窄缝之间有一个方向不断改变的电场，这样从带电粒子源发出的带电粒子，在通过窄缝时被加速，在匀强磁场作用下做匀速圆周运动，再次通过窄缝时又被加速……最后从D形盒的出口处射出．
(1)如D形盒的半径为R，试分析带电粒子最后从出口处沿切线方向飞出时的动能多大？
(2)两个D形盒的高频加速电压的频率f多大？(设被加速的带电粒子质量为m，电荷量为q，重力不计)
加速粒子的最终动能及速度与加速电压无关．
2.有一回旋加速器，两个D形盒的半径为R，两D形盒之间的高频电压为U，偏转磁场的磁感应强度为B.如果一个α粒子(氦原子核)和一个质子，都从加速器的中心开始被加速，试求它们从D形盒飞出时的速度之比．
【答案】　2∶1
1．回旋加速器是使带电粒子 ，获得 的实验设备．
2．回旋加速器是利用带电粒子在磁场中做 时，它的 与粒子的速度无关做成的．
3．回旋加速器中使粒子加速的是 ．而 是使带电粒子做圆周运动的．虽然粒子转动半径增大，但周期不变，这样加速电场的 保持不变，使实验操作易于进行．
速度增大
高能粒子
匀速圆周
运动
回旋周期
电场
磁场
频率
4．测带电粒子 的仪器叫质谱仪，工作过程为：先使待测粒子经过 ，再经过 ，最后进入 进行偏转．
比荷
加速电场加速
速度选择器
磁场
1．(考查点：带电粒子在磁场中的运动)在匀强磁场中，一个带电粒子做匀速圆周运动，如果又顺利垂直进入另一磁感应强度是原来磁感应强度2倍的匀强磁场，则(　　)
A．粒子的速率加倍，周期减半
B．粒子的速率不变，轨道半径减半
C．粒子的速率减半，轨道半径变为原来的1/4
D．粒子速度不变，周期减半
【答案】　BD
【答案】　BD
3. (考查点：带电粒子在有界磁场中的运动特点)如右图所示，以ab为分界面的两个匀强磁场，方向均垂直纸面向里，其磁感应强度B1＝2B2.现有一质量为m、电荷量为＋q的粒子从O点沿图示方向以速度v开始运动，经过多长时间粒子重新回到O点．并画出粒子的运动轨迹．
4．(考查点：带电粒子在磁场中的运动轨迹)
在右图中，水平导线中有电流I通过，导线正下方的电子初速度的方向与电流I的方向相同，则电子将(　　)
A．沿路径a运动，轨迹是圆
B．沿路径a运动，轨迹半径越来越大
C．沿路径a运动，轨迹半径越来越小
D．沿路径b运动，轨迹半径越来越小
【答案】　B
5．(考查点：带电粒子在匀强磁场中的运动规律)质子(p)和α粒子以相同的速率在同一匀强磁场中做匀速圆周运动，轨道半径分别为Rp、Rα，周期分别为Tp、Tα.则下列选项正确的是(　　)
A．Rp∶Rα＝1∶2　Tp∶Tα＝1∶2
B．Rp∶Rα＝1∶1　Tp∶Tα＝1∶1
C．Rp∶Rα＝1∶1　Tp∶Tα＝1∶2
D．Rp∶Rα＝1∶2　Tp∶Tα＝1∶1
【答案】　A
练考题、验能力、轻巧夺冠