(教用word)第1章 第3节 洛伦兹力的应用-【提分教练】2022-2023学年新教材高中物理选择性必修第二册(鲁科版2019)

第3节　洛伦兹力的应用 学业要求＋核心素养 1．知道显像管的基本结构和工作原理。(物理观念) 2．理解回旋加速器和质谱仪的原理以及基本用途。(物理观念) 3．能综合运用力学、电磁学知识解决带电粒子在复合场(电场、磁场、重力场)中的运动问题。(科学思维) 显像管、质谱仪和回旋加速器 1．基础梳理 (1)显像管：由电子枪发出电子经加速电场加速，在不断变化的磁场的作用下，运动方向发生偏转。 (2)质谱仪：一种检测和分离同位素的仪器，带电粒子的比荷与偏转距离x的平方成反比，比荷不等的离子会被分开，并按比荷的大小排列。 (3)回旋加速器：在两个中空的D形盒中有匀强磁场，在两个D形盒之间的狭缝间存在周期性变化的电场。粒子在盒内的匀强磁场中做匀速圆周运动，粒子每经过狭缝时被加速。 2．尝试探究 如图所示是直线加速器多级加速装置的原理图。 (1)直线加速器的工作原理是什么？ 提示：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，qU＝ΔEk。 (2)直线加速器有什么缺点吗？ 提示：有以下几个缺点：技术上不能产生过高电压；加速设备太长等。 能否在小范围内让粒子受到多次电场加速呢？美国物理学家劳伦斯制造的回旋加速器实现了这一设想。 (1)回旋加速器的结构是怎样的？ 提示： (2)所加电场和磁场的作用是什么？ 提示：电场使带电粒子加速，磁场使粒子回旋能被反复加速。 (3)粒子每经过一个周期，电场加速几次？电场是恒定的还是周期性变化的？ 提示：两次。两次的入射方向相反，因此两次加速电场的方向也应相反，因此电场应该是周期性变化的。 (4)交变电场的变化周期与粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期之间有何关系呢？ 提示：粒子回旋的周期T＝，不随半径改变。让交变电场变化的周期与粒子回旋的周期一致，可保证粒子始终被加速。 质谱仪是一种分析同位素、测定带电粒子比荷及测定带电粒子质量的重要工具。 (1)质谱仪的工作原理是什么？ 提示：使质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场，由于粒子比荷不同，导致轨迹半径不同而分开。 (2)已知加速电场的电压为U，匀强磁场的磁感应强度为B，粒子质量为m，电荷量为q，试推导粒子在质谱仪中运动半径的大小。 提示：如图所示 (3)由以上计算可以看出哪些粒子能被分开？ 提示：比荷不相等的粒子会被分开。 1．判断(正确的打“√”，错误的“×”) (1)电子在匀强磁场中做匀速圆周运动，速率越小，周期越大。 (　　) ×　提示：由粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期公式T＝可知，周期与电子的速率无关。 (2)电子在匀强磁场中做匀速圆周运动，速度方向与磁场方向垂直。 ( √ ) (3)回旋加速器中带电粒子所获得的能量，与加速器的半径有关，半径越大，能量越大。 (　　) √　提示：带电粒子所获得的动能Ek＝mv2，加速器的半径R＝，所以Ek＝，R越大，获得的动能越大。 2．氘核(H)和α粒子(He)在同一匀强磁场中分别做匀速圆周运动，则它们的运动周期之比为(　　) A．1∶1　　B．1∶　　C．1∶2 　　D．2∶1 A　解析：由T＝可以看出TH＝Tα，选项A正确。 3．如图所示，带电粒子(不计重力)在匀强磁场中按图中轨迹运动，中央是一块薄金属板，粒子穿过金属板时有能量损失，则(　　) A．粒子带正电 B．粒子沿abcde路径运动 C．粒子沿edcba路径运动 D．粒子在金属板下侧的周期比上侧的周期长 C　解析：由粒子做匀速圆周运动的半径公式r＝可知，粒子在金属板下侧的速度大，所以粒子的运动路径为edcba，选项C正确，选项B错误；根据左手定则，粒子带负电，选项A错误；粒子的运动周期T＝，与运动速度无关，选项D错误。 4．一个电子穿过某一空间而未发生偏转，则(　　) A．此空间一定不存在磁场 B．此空间一定不存在电场 C．此空间可能只有匀强磁场，方向与电子速度方向垂直 D．此空间可能同时有电场和磁场 D　解析：当电子的运动方向与磁场的方向平行时，洛伦兹力为零，不偏转，若与电场力的方向相同，其方向也不变，选项A、B错误；若电子的运动方向与磁场垂直，洛伦兹力与速度方向垂直，方向偏转，选项C错误；若电场与磁场垂直，且电场力与洛伦兹力平衡，电子的运动方向不变，选项D正确。 　　 　　回旋加速器 在某回旋加速器中，磁场的磁感应强度为B，粒子源射出的粒子质量为m，电荷量为q，粒子的最大回旋半径为Rm，问： (1)D形盒内有无电场？ (2)粒子在盒内做何种运动？ (3)所加交变电场的周期是多大？ (4)粒子离开加速器时能量是多大？ 解析：(1)D形盒由金属导体制成，具有屏蔽外电场的作用，盒内无电场，只有匀强磁场。 (2)带电粒子在盒内做匀速圆周运动，每次加速后轨道半径增大。 (3)交变电场的周期应与粒子旋转的周期相同，即T