第3章 第6节 洛伦兹力与现代技术-2021-2022学年高中物理选修3-1【名师导航】同步Word教参(粤教版)

第六节　洛伦兹力与现代技术 [学习目标]　1.[物理观念]知道垂直射入匀强磁场的带电粒子在磁场中做匀速圆周运动．　2.[科学思维]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．(重点)　[科学思维]能够用学过的知识分析、计算有关带电粒子在匀强磁场中受力、运动问题．(重点、难点)　4.[科学态度与责任]知道回旋加速器、质谱仪的基本构造、原理及用途．(重点) 一、带电粒子在磁场中的运动(如图) 1．实验探究 (1)此装置是洛伦兹力演示仪，它是一个特制的电子射线管，管内下方的电子枪射出的电子束，可以使管内的氢气发出辉光，从而显示出电子的径迹． (2)实验现象 ①当没有磁场作用时，电子的运动轨迹是直线． ②当电子垂直射入磁场时，电子的运动轨迹是圆弧线． ③结论：增大电子的速度时圆周半径增大，增强磁场磁感应强度时，圆周半径减小． 2．带电粒子在匀强磁场中的运动 (1)洛伦兹力的作用效果 ①洛伦兹力不改变(A.改变　B．不改变)带电粒子速度的大小，或者说洛伦兹力不对(A.对　B．不对)带电粒子做功，不改变(A.改变　B．不改变)粒子的能量． ②洛伦兹力总与速度方向垂直，正好起到了充当向心力的作用． (2)运动规律 带电粒子沿着与磁场垂直方向射入匀强磁场中做匀速圆周运动．洛伦兹力提供向心力，即qvB＝m. ①轨道半径：r＝． ②运动周期：T＝． 二、质谱仪和回旋加速器 1．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荷质比，若已知电量，可求得粒子的质量． (5)质谱线：电荷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，由此可准确地测出各种同位素的原子量． 2．回旋加速器 (1)主要构造：两个D形盒，两个大型电磁铁． (2)原理图(如图所示) (3)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． (4)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． 1．正误判断 (1)带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的半径，与粒子的质量和速度无关． (×) (2)运动电荷进入磁场后(无其他场)可能做匀速圆周运动，不可能做类平抛运动． (√) (3)回旋加速器的加速电压越大，带电粒子获得的最大动能越大． (×) (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. (√) (5)带电粒子做匀速圆周运动的半径与带电粒子进入磁场时速度的大小有关，而周期与速度、半径都无关． (√) 2．粒子甲的质量与电荷量分别是粒子乙的4倍与2倍，两粒子均带正电荷．让它们在匀强磁场中同一点以大小相等、方向相反的速度开始运动．已知磁场方向垂直于纸面向里．如下四个图中能正确表示两粒子运动轨迹的是(　　) A　[由洛伦兹力和牛顿第二定律，可得r甲＝，r乙＝，故＝2.由左手定则判断甲、乙两粒子所受洛伦兹力方向及其运动方向，可知选项A正确．] 3．(多选)用回旋加速器加速质子时，所加交变电压的频率为f，为了使质子获得的最大动能增加为原来的4倍，可采用下列哪种方法 (　　) A．将其磁感应强度增大为原来的2倍 B．将D形金属盒的半径增大为原来的2倍 C．将两D形金属盒间的加速电压增大为原来的4倍 D．将交变电压的频率增大为原来的4倍 AB　[带电粒子从D形盒中射出时的动能 Ekm＝mv ① 带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，则圆周半径R＝ ② 由①②可得Ekm＝，显然，当带电粒子q、m一定时，则Ekm∝R2B2，即Ekm与磁场的磁感应强度B、D形金属盒的半径R的平方成正比，与加速电场的电压无关，故A、B正确，C、D错误．] 带电粒子在匀强磁场中的运动分析 1．运动轨迹 (1)匀速直线运动 当带电粒子的速度方向与磁场平行时，不受洛伦兹力作用，带电粒子在磁场中做匀速直线运动． (2)匀速圆周运动 当带电粒子的速度方向与磁场垂直时，仅在洛伦兹力作用下带电粒子在磁场中做匀速圆周运动． 2．带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的分析方法 (1)周期及半径的确定 洛伦兹力提供向心力，则有qvB＝m，得到轨道半径r＝.由轨道半径与周期的关系得T＝. (2)圆心的确定 ①已知入射方向和出射方向时，可通