2017-2018学年高中物理 第三章 磁场 第5节 洛伦兹力的应用教学案 教科版选修3-1.doc

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1、第5节洛伦兹力的应用1．带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用，利用磁场可以控制带电粒子的运动方向，但不能改变带电粒子的速度大小。2．回旋加速器由两个D形盒组成，带电粒子在D形盒中做圆周运动，每次在两D形盒之间的窄缝区域被电场加速，加速电场的周期与粒子圆周运动周期相同。回旋加速器是由劳伦斯发明的。3．质谱仪把比荷不相等的粒子分开，并按比荷顺序的大小排列，故称之为“质谱”。质谱仪是阿斯顿发明的。一、利用磁场控制带电粒子运动1．实例如图351所示为一具有圆形边界、半径为r的匀强磁场，磁感应强度大小为B，一个初速度大小为v0的带电粒子(m，q)沿该磁场的直径方向从P点射入，在洛伦兹力作用下从Q点离

2、开磁场。图351(1)可以证明，该粒子离开磁场时速度方向的反向延长线必过圆心。(2)设粒子离开磁场时的速度方向与进入磁场时相比偏转了θ角，则由图中几何关系可以看出tan＝＝。可见，对于一定的带电粒子(m，q一定)，可以通过调节B和v0的大小来控制粒子的偏转角度θ。2．特点利用磁场控制带电粒子的运动，只能改变粒子的运动方向而不能改变粒子的速度大小。二、质谱仪1．比荷带电粒子的电荷量与质量之比，也叫荷质比。2．质谱仪测定带电粒子比荷的仪器。3．构造如图352所示，主要由离子源(S1上方，图中未画出)、加速电场(狭缝S1与S2之间的电场)、速度选择器(S2与S3之间的装置)、偏转磁场B2和照

3、相底片等组成。图3524．工作原理(1)速度选择器的工作原理：速度选择器是由P1和P2两平行金属板产生的场强为E的匀强电场及与电场方向垂直、磁感应强度为B1的匀强磁场区域组成，通过速度选择器的粒子满足：qvB1＝qE即v＝。(2)质谱仪的工作原理：速度为v＝的带电粒子通过狭缝S3垂直进入磁感应强度为B2的匀强磁场区域，在洛伦兹力的作用下做半个圆周运动后打在底片上并被接收，形成一个细条纹，测出条纹到狭缝S3的距离L，就得出了粒子做圆周运动的半径R＝，再由R＝以及v和B2即可得出粒子的比荷＝。三、回旋加速器1．构造(1)核心部分：两个D形盒，中间留有窄缝，装在巨大电磁铁之间的真空容器里，如

4、图353所示。图353(2)粒子源：放于窄缝中心附近。(3)磁场：方向垂直于金属盒底面。(4)电场：两盒分别接在周期性变化的交流电源的两极上，窄缝中形成方向可变的加速电场，方向垂直于窄缝。2．工作原理(1)磁场作用：带电粒子垂直磁场方向射入磁场时，只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期与半径和速率无关。(2)交变电压的作用：在两D形盒狭缝间产生周期性变化的电场，使带电粒子每经过一次狭缝加速一次，如图354所示。图354(3)交变电压的周期(或频率)：与带电粒子在磁场中做圆周运动的周期(或频率)相同。1．自主思考——判一判(1)沿半径方向射入圆形磁场的粒子一定沿半径方向离开磁场。(√)

5、(2)带电粒子在磁场中运动的偏转角等于运动轨迹圆弧所对应的圆心角的2倍。(×)(3)带电粒子在磁场中偏转时，速度的方向改变而速度的大小不变。(√)(4)速度选择器既可以选择粒子的速度，也可以选择粒子的电性。(×)(5)应用质谱仪可以测定带电粒子的比荷。(√)(6)回旋加速器两狭缝可以接直流电源。(×)2．合作探究——议一议(1)电视机显像管中电子束的偏转原理和示波管中电子束的偏转原理一样吗？提示：电视机显像管应用了电子束磁偏转的原理，而示波管中电子束则是在电场中偏转，是电偏转的原理。(2)回旋加速器两端所加的交流电压的周期由什么决定？提示：为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使之能

6、量不断提高，交流电压的周期必须等于带电粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期即T＝。因此，交流电压的周期由带电粒子的质量m、带电量q和加速器中的磁场的磁感应强度B来决定。(3)一束电子进入回旋加速器加速，电子出来时的速度大小与回旋加速器的半径有什么关系？提示：根据半径公式R＝，可得v＝，由于电子的电荷量和质量一定，回旋加速器中的磁感应强度一定，故电子出来的速度大小与回旋加速器的半径成正比。电偏转与磁偏转1．什么叫电偏转和磁偏转(1)电偏转：利用电场对运动电荷施加电场力作用，从而控制其运动方向。(2)磁偏转：利用磁场对运动电荷施加洛伦兹力作用，从而控制其运动方向。2．电偏转和磁偏转的对比匀强

7、电场中偏转匀强磁场中偏转偏转条件垂直电场线进入匀强电场(不计重力)垂直磁感线进入匀强磁场(不计重力)受力情况电场力F＝Eq大小、方向都不变洛伦兹力F＝qvB大小不变，方向随v的方向的改变而改变运动类型类平抛运动匀速圆周运动或其一部分运动轨迹抛物线圆或圆的一部分运动轨迹图求解方法处理偏移y和偏转角φ要通过类平抛运动的规律求解偏转y和偏转角φ要结合圆的几何关系通过对圆周运动的讨论求解动能变化动能增大动能不变[典例]　有一平行板电容器，内部为真空，两