高中物理洛伦兹力与现代技术.doc

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1、第6节　洛伦兹力与现代技术学习目标1.知道在洛伦兹力作用下，带电粒子垂直进入磁场做匀速圆周运动．2.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，并会应用它们解答有关问题．3.知道回旋加速器、质谱仪的基本构造，原理以及基本用途.思维启迪为了研究物质的微观结构，科学家必须用各种各样的加速器产生出速度很大的高能粒子，欧洲核子研究中心的粒子加速器周长达27km(如图361所示的大圆)．为什么加速器需要那么大的周长呢？位于法国和瑞士边界的欧洲核子研究中心知识梳理一、带电粒子在磁场中的运动1．运动轨迹(1)匀速直线运动：带电粒子的速度方向与磁场方向平行

2、(相同或相反)，此时带电粒子所受洛伦兹力为0，粒子将以速度v做匀速直线运动．(2)匀速圆周运动：带电粒子垂直射入匀强磁场，由于洛伦兹力始终和运动方向垂直，因此，带电粒子速度大小不变，但是速度方向不断在变化，所以带电粒子做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力．2．轨迹半径和周期由F向＝f得qvB＝m，所以有R＝，T＝.二、质谱仪1．构造如图362所示，主要由以下几部分组成：图362①带电粒子注入器②加速电场(U)③速度选择器(B1、E)④偏转磁场(B2)⑤照相底片2．原理利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量，粒子由加速电场加速后进入速度选择器

3、，匀速运动，电场力和洛伦兹力平衡qE＝qvB1，v＝粒子匀速直线通过进入偏转磁场B2，偏转半径r＝，可得比荷＝.【特别提醒】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．三、回旋加速器1．结构：回旋加速器主要由圆柱形磁极、两个D形金属盒、高频交变电源、粒子源和粒子引出装置等组成．2．原理回旋加速器的工作原理如图363所示．放在A0处的粒子源发出一个带正电的粒子，它以某一速率v0垂直进入匀强磁场中，在磁场中做匀速圆周运动．经过半个周期，当

4、它沿着半圆A0A1时，我们在A1A1′处设置一个向上的电场，使这个带电粒子在A1A1′处受到一次电场的加速，速率由v0增加到v1，然后粒子以速率v1在磁场中做匀速圆周运动．我们知道，粒子的轨道半径跟它的速率成正比，因而粒子将沿着增大了的圆周运动．又经过半个周期，当它沿着半圆弧A1′A2′到达A2′时，我们在A2′A2处设置一个向下的电场，使粒子又一次受到电场的加速，速率增加到v2，如此继续下去．每当粒子运动到A1A1′、A3A3′等处时都使它受到一个向上电场力加速，每当粒子运动到A2′A2、A4′A4等处时都使它受到一个向下电场力加速，那么，粒子将沿着图示的螺旋线

5、回旋下去，速率将一步一步地增大．图363(1)旋转周期：与速率和半径无关，且T＝，而高频电源的周期与粒子旋转周期应相等才能实现回旋加速，故高频电源周期T电＝.(2)最大动能：由于D形盒的半径R一定，由vm＝知，粒子最大动能Ekm＝.由上式可以看出，要使粒子射出的动能Ekm增大，就要使磁场的磁感应强度B以及D形盒的半径R增大，而与加速电压U的大小无关(U≠0)，与加速的次数无关．【思考】为什么只有磁场而没有电场不能做成加速器？答案：粒子在磁场中是无法被加速的，因为带电粒子在磁场中运动受到的是洛仑兹力，而洛仑兹力一定与运动方向垂直，不可能使粒子加速，所以没有电场是做不

6、成加速器的．基础自测1．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＝______.解析：点电荷射入磁场后受洛伦兹力作用做匀速圆周运动，所以洛伦兹力提供向心力，即qvB＝m，得：r＝，所以r1∶r2＝∶＝2∶1同理，因为周期T＝，所以T1∶T2＝∶＝1∶2答案：2∶1　1∶22．粒子甲的质量与电荷量分别是粒子乙的4倍与2倍，两粒子均带正电，让它们在匀强磁场中同一点以大小相等、方向相反

7、的速度开始运动，已知磁场方向垂直纸面向里，以下四个图中，能正确表示两粒子运动轨迹的是(　　)解析：根据左手定则和半径的计算式r＝加以分析知A正确．答案：A3．两个粒子带电量相等，在同一个匀强磁场中只受洛伦兹力作用而做匀速圆运动(　　)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．若动能相等，则半径必相等D．若动能相等，则周期必相等解析：由r＝知A、C错；根据T＝知当质量相等时，T相等，故B对，D错．答案：B4．一个带电粒子，沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场，粒子的一段径迹如图364所示，径迹上的每小段都可近似看成圆弧，由于带电粒子使沿途空气电离，粒子

8、的能量逐渐