1.4 洛伦兹力与现代技术（课件） -高二物理同步精品课堂（粤教版2019选择性必修第二册）

1.4 洛伦兹力与现代技术 新粤教版（2019）高中物理选择性必修第二册 第一章 洛伦兹力在现代科学技术中有着广泛的应用 回旋加速器 质谱仪 新课引入 【情境】科研人员需要利用高速粒子对原子核进行“轰击”，以观测其可能产生的新粒子。 【思考问题】（1）有哪些方法使粒子获得更大的动能？ （2）利用多级加速的方法，多级加速器各级间的电压依次为U1、U2…Un，电荷量为q的粒子经过级加速后的动能是多少？ （3）直线加速器的缺点是什么？ 利用电场可以使带电粒子加速。早期的加速器是用不断提高电源的电压来使带电粒子加速。然而实际所能达到的电压是有限制的。 让带电粒子在多级电场的作用下进行多次加速，这就导致整个加速器延伸得相当长。 洛伦兹力恰好能够让带电粒子在磁场中做圆周运动，从而达到“绕回来”的目的。根据这一思路设计出的粒子加速装置，称为回旋加速器。 回旋加速器 如图所示是洛伦兹力演示仪的实物图和原理图。电子枪可以发射电子束。玻璃泡内充有稀薄的气体，在电子束通过时能够显示电子的径迹。励磁线圈能够在两个线圈之间产生匀强磁场，磁场的方向与两个线圈中心的连线平行。 （1）未加磁场，观察洛伦兹力演示仪中电子束的径迹形状。 （2）在玻璃泡中施加沿两线圈中心连线方向、由纸面指向读者纸内指向纸外的磁场，观察洛伦兹力演示仪中电子束的径迹形状。 问题1：未加磁场时观察到电子做什么运动？ 问题2：加入磁场时电子做什么运动？ 问题3：通过观察实验，你能得出什么结论？ 如图所示是洛伦兹力演示仪的实物图和原理图。电子枪可以发射电子束。玻璃泡内充有稀薄的气体，在电子束通过时能够显示电子的径迹。励磁线圈能够在两个线圈之间产生匀强磁场，磁场的方向与两个线圈中心的连线平行。 （1）未加磁场，观察洛伦兹力演示仪中电子束的径迹形状。 （2）在玻璃泡中施加沿两线圈中心连线方向、由纸面指向读者纸内指向纸外的磁场，观察洛伦兹力演示仪中电子束的径迹形状。 【实验总结】 上述实验表明，当未加磁场时，洛伦兹力演示仪中电子束的径迹显示为一条直线，如图(a)所示。当洛伦兹力演示仪的励磁线圈通电后，在玻璃泡内会产生沿两线圈轴线中心连线、方向由纸内指向纸外的磁场，可以看到垂直磁场射入的电子束径迹不再是一条直线，而是形成了圆弧形的径迹，如图(b)所示。 如图所示，设匀强磁场磁感应强度为B，质量为m、电量为q的带负电粒子垂直射入磁场。不计带电粒子所受的重力。 （1）试推导出带电粒子做圆周运动时的半径。 （2）试推导出带电粒子做圆周运动时的周期。 工作原理：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对带电粒子的偏转作用来获得高能粒子。 回旋加速器 劳伦斯 【思考问题】（1）粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期是否发生变化？ （2）交变电压的周期与粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期应满足什么关系？ 回旋加速器的两个D形盒区域施加垂直盒底面的匀强磁场，设匀强磁场磁感应强度为B，处于中心O附近的带电粒子质量为m、电量为q，两个D形盒间缝隙加一个大小为的交变电压U。 （3）回旋加速器的半径为R，粒子从边缘离开时的最大动能是多少？ （4）粒子每加速一次，动能增加多少？ 回旋加速器 回旋周期T与粒子速度v无关 相等 【理论总结】 1.电场加速： 3.加速条件：高频电源的周期与带电粒子在盒中运动的周期相同， 即 2.磁场约束偏转： 4.粒子的最大动能：设半圆形盒半径为R,则粒子做匀速圆周运动的最大半径为R， 由 得， 则， 与加速电压U无关。 回旋加速器工作原理 质谱仪 同位素是质子数相同、中子数不同、属于同一元素的原子，由于同位素的化学性质相同，不能利用化学方法加以区别，但是，由于它们的质量数不同，因而在磁场中做圆周运动的半径不同，根据这一特性可以对同位素加以区别． 基于上述思路，英国实验物理学家阿斯顿（FW Aston，1877-1945）发明了质谱仪，并利用质谱仪最先得到了氖20和氖22的质谱线，证实了同位素的存在，他也因此获得了1922年的诺贝尔化学奖 阿斯顿 【例题】英国实验物理学家阿斯顿当年为了证明同位素的假说，设计了多种质谱仪测量同位素的比荷（粒子电量q与质量m之比）。请结合物理学相关原理，尝试从理论上提出一中质谱仪的设计方案以实现下列功能。 功能一：使带电粒子获得一定的速度。 功能二：让粒子通过一个速度选择器， 只留下特定速度的粒子， 排除其他速度粒子的干扰。 功能三：让带电粒子进入磁场发生偏转。 记录粒子的运动轨迹，进而求得粒子的比荷。 满足功能一：加速电场 满足功能二：速度选择器 满足功能三：偏转 质谱仪 课堂小结 （2）质谱仪的