1.4 洛伦兹力与现代技术（word教参）-【优化探究】2021-2022学年新教材高中物理选择性必修2（粤教版）

第四节　洛伦兹力与现代技术 学习目标 核心素养 1.知道回旋加速器、质谱仪的基本结构、原理及应用。 2.体会科技力量的强大、用科学知识解决问题的魅力所在。 物理观念：质谱仪、回旋加速器 科学思维：质谱仪、回旋加速器的工作原理 科学探究：带电粒子在组合场中运动的特点及解答技巧 授课提示：对应学生用书第16页 [知识梳理] 一、回旋加速器 1．概念：洛伦兹力让带电粒子在磁场中做圆周运动，使加速过的粒子绕回来再加速，根据这一思路设计出的粒子加速装置，称为回旋加速器。 2．主要构造：两个D形盒，两个大型电磁铁。 3．原理图(如图所示) 4．工作原理 磁场的作用：带电粒子垂直磁场方向射入磁场时，受到磁场的洛伦兹力作用而做匀速圆周运动。 交变电压的作用：在两D形盒狭缝间产生周期性变化的电压使带电粒子每经过一次狭缝加速一次。 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。 5．用途：加速器是使带电粒子获得高能量的装置，是科学家探究物质奥秘的有力工具。 二、质谱仪(如图所示) 1．P1P2之间的部分就是一个速度选择器，粒子要匀速通过狭缝应有v＝。 2．带电粒子在S0下方区域，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动。其中轨道半径r＝。 3．以上两式消去v得。＝ 4．测粒子质量的方法：通过测量落在底片上的不同粒子的半径，即可求出带电粒子的比荷，若已知电量，可求得粒子的质量。 5．质谱线：电量相同而质量有微小差别的粒子通过质谱仪打在照相底片的不同位置，底片上形成若干谱线状的细条。每一条谱线对应一定的质量，由此可以测量带电粒子的质量和分析同位素。 [自主评价] 1．判断正误 (1)利用质谱仪可以测定带电粒子的质量和分析同位素。(√) (2)回旋加速器的加速电压越高，带电粒子获得的最终动能越大。(×) (3)回旋加速器所加交变电压的频率与带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的频率相同。(√) (4)利用回旋加速器加速带电粒子，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R。(√) 2．情景思考 (1)如图所示为质谱仪原理示意图。设粒子质量为m、电量为q，加速电场电压为U，偏转磁场的磁感应强度为B，粒子从容器A下方的小孔S1飘入加速电场，其初速度几乎为0，则粒子进入磁场时的速度是多大？打在底片上的位置到S3的距离多大？ (2)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？对交流电源的周期有什么要求？带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？ 提示：(1) 　 (2)磁场的作用是使带电粒子回旋，电场的作用是使带电粒子加速。交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期。当带电粒子速度最大时，其运动半径也最大，即R＝，所以带电粒子获得的最大动能，由磁感应强度B和D形盒的半径R决定。，可得Ekm＝ 授课提示：对应学生用书第17页 要点一　回旋加速器 　(1)带电粒子在D形盒内做圆周运动的周期随半径的增大是否发生变化？ (2)为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使之能量不断提高，所加交变电压的周期与粒子做圆周运动的周期有何关系？ 提示：(1)不变　(2)相同 1．磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动。其周期在q、m、B不变的情况下与速度和轨道半径无关，带电粒子每次进入D形盒都运动半个周期()后平行电场方向进入电场加速。如图所示。 2．电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的狭缝区域存在周期性变化的且垂直于两个D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速。根据动能定理：qU＝ΔEk。 3．交变电压的作用：为保证粒子每次经过狭缝时都被加速，使之能量不断提高，需在狭缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压。 4．带电粒子的最终能量：由r＝。知，当带电粒子的运动半径最大时，其速度也最大，若D形盒半径为R，则带电粒子的最终动能Ekm＝ 可见，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能地增大磁感应强度B和D形盒的半径R。 5．粒子被加速次数的计算：粒子在回旋加速器中被加速的次数n＝(U是加速电压的大小)，一个周期加速两次。 6．粒子在回旋加速器中运动的时间：在电场中运动的时间为t1，在磁场中运动的时间为t2＝(n是粒子被加速次数)，总时间为t＝t1＋t2，因为t1≪t2，一般认为在盒内的时间近似等于t2。T＝ 　(多选)回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示。设D形盒半径为R，若用回旋加速器加速质子，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交流电频率为f，则下列说法正确的是(　　) A．质子被加速后的最大速度不