1.3 洛伦兹力的应用 课件-2022-2023学年高二下学期物理鲁科版（2019）选择性必修第二册

第一章 安培力与洛伦兹力 3.洛伦兹力的应用 教学目标 CONTENT 01 02 03 了解洛伦兹力在显像管中的应用 掌握回旋加速器的工作原理及其应用 掌握质谱仪的工作原理及其应用 2 新课引入 洛伦兹力有很多应用，在生产生活和科学研究中是怎样应用洛伦兹力的呢？本节我们以显像管、质谱仪和回旋加速器为例，介绍洛伦兹力的应用。 显像管 一 知能提升 洛伦兹力的方向与粒子的运动速度方向垂直，当粒子在磁场中运动时， 因受到洛伦兹力的作用，就会发生偏转。显像管电视机就应用了电子束 磁偏转的原理。 显像管电视机 1. 显像管的构造 如图所示，由电子枪、偏转线圈和荧光屏组成。 2. 显像管的工作原理 （1）电子枪发射电子。 （2）偏转线圈产生磁场。 （3）电子束在偏转线圈产生的磁场中偏转。 （4）荧光屏被电子束撞击发光。 3. 扫描 在偏转区的水平方向和竖直方向都有偏转磁场，其方向、强弱都在不断变化，使得电子束打在荧光屏上的光点从上向下、从左向右不断移动。如图所示。 电子束从最上一行到最下一行扫描一遍叫作一场，电视机中的显像管每秒要进行50场扫描，所以我们感到整个荧光屏都在发光。 电子束在荧光屏上扫描 在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其所含物质的成分。利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？ 质谱仪 二 知能提升 1.质谱仪： 利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。 2.结构及作用 ： ①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子 ②加速电场：使带电粒子获得速度 ③粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场 ④偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离 ⑤照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 速度选择器 原理图 加速电场 速度选择器 3.原理： 经加速电场获得速度： 经速度选择器时速度为： 在偏转磁场中： 4.作用： ①可测粒子的质量及比荷 ②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素 由于粒子的荷质比不同，则做圆周运动的半径也不同，因此打到不同的位置。 要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进行“观察”。 然而，原子核被强大的核力约束，只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才能把它“打开” 产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器。 直线加速器 北京正负电子对撞机 欧洲质子加速器 斯坦福大学的加速器 缺点：占地大 能否设计一款占地小些的加速器 回旋加速器 三 知能提升 1.回旋加速器的构造： （1）粒子源 （2）两个D形盒 （3）匀强磁场 （4）交变电场 说明：两D形盒中有匀强磁场无电场，盒间缝隙有交变电场 2.回旋加速器的原理： ~ 电场 →加速 磁场 →偏转 获得高能粒子 思考1：交变电场的周期多大呢？ 高频电场的变化周期为 每过t= 电场换一次方向，带电粒子被加速一次 思考与交流 思考与交流 最大动能与加速电压无关，由盒的半径和磁感应强度决定. 思考2：如何提高回旋加速器的加速性能呢？ 思考与交流 思考3：回旋加速器的局限性 回旋加速器加速的带电粒子，能量达到 25 〜 30 MeV后，很难再加速了。原因是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度增加而增大，而质量的变化会导致其回转周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。 原理图 一圆形导管直径为d，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体向左流动. 拓展应用：电磁流量计 平衡时：Bqv=Eq= v= 流量Q=Sv= · f洛 f电 拓展应用：速度选择器 1、正交的匀强电场和匀强磁场的区域，带电粒子能沿直线匀速通过，这个区域叫做速度选择器. 2、条件是：带电粒子所受的洛伦兹力和电场力平衡. 即qvB=qE，其选择出的速度v= . qvB qE qvB qE 拓展应用：速度选择器 3、正负电荷都能以速度v= 从左向右沿直线匀速通过速度选择器. 4、速度选择器不仅选择速度的大小而且选择速度的方向.但是速度选择器与粒子电性和电荷量以及质量无关。 拓展应用：磁流体发电机 1、将一束等离子体喷射入磁场，在磁场中有两块金属板A、B，这时金属板上就会聚集电荷，产生电压. 2、最终达到平衡：带电粒子所受的洛伦兹力和电场力平衡. 即qvB=，其产生的电动势：E=Bvd. 典例精析 例1. 如图所示，以两虚线为边界，中间存在平行纸面且与边界垂直的水平电场，宽度为d，两侧为相同的匀强磁场，方向垂直纸面向里. 一质量为m、带电量+q、重力不计的带电粒子，以初速度v1垂直边界射入磁场做匀速圆周运动，后进入电场做匀加速运动，然后第二