2011届高三物理一轮复习 3.3磁场对运动电荷的作用学案 新人教版选修3-1.doc

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1、2011届高三物理一轮复习全案：3.3磁场对运动电荷的作用（选修3-1）【考纲知识梳理】一、洛仑兹力的大小和方向：1、洛伦兹力的大小计算：F＝qvBsinα(α为v与B的夹角)（1）当v⊥B时，f洛最大，f洛=qBv（式中的v是电荷相对于磁场的速度）（2）当v//B时，f洛=0做匀速直线运动。（3）v=0，F=0,即磁场对静止电荷无作用力，只对运动电荷产生作用力。2、洛伦兹力的方向（1）洛伦兹力F的方向既垂直于磁场B的方向，又垂直于运动电荷的速度v的方向，即F总是垂直于B和v所在的平面．（2）洛伦兹力

2、方向(左手定则)：伸出左手，让姆指跟四指垂直，且处于同一平面内，让磁感线穿过手心，四指指向正电荷运动方向（当是负电荷时，四指指向与电荷运动方向相反）则姆指所指方向就是该电荷所受洛伦兹力的方向．二、带电粒子在匀强磁场中的运动1、分三种情况：一是匀速直线运动；二是匀速圆周运动；三是螺旋运动．2、做匀速圆周运动：轨迹半径r=mv/qB；其运动周期T=2πm/qB(与速度大小无关)．3、垂直进入匀强电场和垂直进入匀强磁场时都做曲线运动，但有区别：垂直进入匀强电场，在电场中做匀变速曲线运动(类平抛运动)；垂直进

3、入匀强磁场，则做变加速曲线运动(匀速圆周运动)．三、洛伦兹力的应用实例1．质谱仪的结构原理-30-用心爱心专心质谱仪主要用于分析同位素，测定其质量，荷质比和含量比，如图所示为一种常用的质谱仪（1）离子发生器O（O中发射出电量q、质量m的粒子，粒子从A中小孔S飘出时速度大小不计；）（2）静电加速器C：静电加速器两极板M和N的中心分别开有小孔S1、S2，粒子从S1进入后，经电压为U的电场加速后，从S2孔以速度v飞出；（3）速度选择器D：由正交的匀强电场E0和匀强磁场B0构成，调整E0和B0的大小可以选择度

4、为v0＝E0/B0的粒子通过速度选择器，从S3孔射出；（4）偏转磁场B：粒子从速度选择器小孔S3射出后，从偏转磁场边界挡板上的小孔S4进入，做半径为r的匀速圆周运动；（5）感光片F：粒子在偏转磁场中做半圆运动后，打在感光胶片的P点被记录，可以测得PS4间的距离L。装置中S、S1、S2、S3、S4五个小孔在同一条直线上2．问题讨论：设粒子的质量为m、带电量为q（重力不计），粒子经电场加速由动能定理有：①；粒子在偏转磁场中作圆周运动有：②；联立①②解得：另一种表达形式同位素荷质比和质量的测定:粒子通过加速

5、电场，通过速度选择器，根据匀速运动的条件:。若测出粒子在偏转磁场的轨道直径为L，则，所以同位素的荷质比和质量分别为。2、回旋加速器1932年美国物理学家劳伦斯发明的回旋加速器，是磁场和电场对运动电荷的作用规律在科学技术中的应用典例，也是高中物理教材中的一个难点，其中有几个问题值得我们进一步探讨-30-用心爱心专心回旋加速器是用来加速带电粒子使之获得高能量的装置。1．回旋加速器的结构。回旋加速器的核心部分是两个D形金属扁盒（如图所示），在两盒之间留有一条窄缝，在窄缝中心附近放有粒子源O。D形盒装在真空容

6、器中，整个装置放在巨大的电磁铁的两极之间，匀强磁场方向垂直于D形盒的底面。把两个D形盒分别接到高频电源的两极上。2．回旋加速器的工作原理。如图所示，从粒子源O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窄缝。此时窄缝间的电场方向恰好改变，带电粒子在窄缝中再一次被加速，以更大的速度进入另一D形盒做匀速圆周运动……，这样，带电粒子不断被加速，直至它在D形盒内沿螺线轨道运动逐渐趋于盒的边缘，当粒子达到预期的速率后，用特

7、殊装置将其引出。3．问题讨论。（1）高频电源的频率。带电粒子在匀强磁场中运动的周期。带电粒子运动时，每次经过窄缝都被电场加速，运动速度不断增加，在磁场中运动半径不断增大，但粒子在磁场中每运动半周的时间不变。由于窄缝宽度很小，粒子通过电场窄缝的时间很短，可以忽略不计，粒子运动的总时间只考虑它在磁场中运动的时间。因此，要使粒子每次经过窄缝时都能被加速的条件是：高频电源的周期与带电粒子运动的周期相等（同步），即高频电源的频率为，才能实现回旋加速。（2）粒子加速后的最大动能E。-30-用心爱心专心由于D形盒的

8、半径R一定，粒子在D形盒中加速的最后半周的半径为R，由可知，所以带电粒子的最大动能。虽然洛伦兹力对带电粒子不做功，但E却与B有关；由于，由此可知，加速电压的高低只会影响带电粒子加速的总次数，并不影响回旋加速后的最大动能。（3）能否无限制地回旋加速。由于相对论效应，当带电粒子速率接近光速时，带电粒子的质量将显著增加，从而带电粒子做圆周运动的周期将随带电粒子质量的增加而加长。如果加在D形盒两极的交变电场的周期不变的话，带电粒子由于每次“迟到”一点，就不能保证