第1章 第4节 洛伦兹力的应用（Word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理选择性必修第二册（教科版2019）

第4节　洛伦兹力的应用 核心 素养 导学 物理观念 (1)能用洛伦兹力解释生活现象，说明磁偏转技术的应用。 (2)了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。 科学思维 (1)经历质谱仪工作原理的推理过程，体会逻辑推理的思维方法。 (2)了解回旋加速器的技术难题，体会科学与技术的相互影响。 科学探究 探究显像管、质谱仪和回旋加速器的工作原理。 科学态度与责任 能认识回旋加速器和质谱仪等对人类探索未知领域的重要性，知道科学发展对实验器材的依赖性。 　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、利用磁场控制带电粒子运动 1．带电粒子在圆形匀强磁场中的偏转 如图所示，圆形匀强磁场的半径为r，磁感应强度为B，带电粒子质量为m，电荷为q，速度为v0。经过磁场偏转了θ角，则tan＝，R＝，故tan＝，可见，对于一定的带电粒子，可以通过改变B和v0的大小来控制粒子的偏转角度θ。 2．利用磁场控制粒子运动方向的特点：只改变带电粒子的运动方向，不改变带电粒子的速度大小。 二、质谱仪 1．比荷：带电粒子的电荷量与质量之比。 2．质谱仪：测定带电粒子比荷的仪器。 3.原理图：照相底片条纹到狭缝S3的距离为L，则R＝。带电粒子经过S2与S3之间的速度选择器，做匀速直线运动，即：qE＝qvB1。 根据R＝可得出：＝。 (1)粒子的运动是先在电场中加速，然后在磁场中偏转。 (2)比荷不同的粒子偏转距离不同。　　 三、回旋加速器 1．构造：如图所示，D1、D2是两个中空的半圆金属盒，D形盒的缝隙处接交流电源。D形盒处于匀强磁场中。 2．原理：交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等，粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙，两盒间的电势差一次一次地反向，粒子就会被一次一次地加速。 3．周期：粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子做圆周运动的周期不变。 4．最终速度：设D形盒的半径为R，则最大速度vm＝BR。 1.如图所示，圆形区域内有垂直纸面的匀强磁场，三个质量和电荷量都相同的带电粒子a、b、c，以不同的速率对准圆心O沿着AO方向射入磁场，其运动轨迹如图所示。 (1)a、b、c三个粒子中，哪个粒子的速率最大？ (2)a、b、c三个粒子中，哪个粒子的运动时间最长？ 提示：(1)c　(2)a 2.如图所示是质谱仪示意图，它可以测定单个离子的质量，图中离子源S产生带电荷量为q的离子，经电压为U的电场加速后垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中，沿半圆轨道运动到记录它的照相底片P上。判断下列说法的正误。 (1)只要带电粒子的电荷量相同，经加速电场加速后的末速度都相同。(×) (2)只要带电粒子的质量不同，打在照相底片上的位置就不同。(×) (3)利用质谱仪可以测定带电粒子的比荷。(√) 3．质谱仪中的速度选择器能选择粒子电性吗？ 提示：不能。无论正、负粒子，只要具有某一特定速度，粒子在速度选择器中受到的电场力和洛伦兹力就一定大小相等、方向相反，粒子受力平衡，v＝，与粒子质量、电荷量、电性无关。 4.一个用于加速质子的回旋加速器，其核心部分如图所示，D形盒半径为R，垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B，两盒分别与交流电源相连。判断下列说法的正误。 (1)在回旋加速器中，质子运动一周被加速两次。(√) (2)回旋加速器是利用磁场控制轨道，用电场进行加速的。(√) (3)加速电压增大时，质子获得的最大速度也增大。(×) 新知学习(一)|利用磁场控制带电粒子的运动 [重点释解] 1．带电粒子在加速电场中的加速 qU＝mv2⇒v＝ 。 2．带电粒子在磁场中的偏转 运动性质 匀速圆周运动 运动规律 r＝；T＝ 求解方法 偏转量y和偏转角θ要结合圆的几何关系，通过对圆周运动的讨论求解 [典例体验] [典例]　(2022·青岛高二检测)如图所示是电视机显像管及其偏转线圈的示意图。一电子束(初速度不计)经过电压为U的加速电场后，进入一圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直于圆面，磁场区域的中心为O，半径为r。当不加磁场时，电子束将通过O点打到屏幕的中心M点。为了让电子束射到屏幕边缘P点需要加磁场，使电子束偏转一已知角度θ；已知电子的质量为m，电荷量为e，不计电子的重力。求： (1)电子进入磁场时的速度； (2)圆形磁场区域的磁感应强度B的大小及方向。 [解析]　(1)设电子射出电场时的速度为v， 根据动能定理有：eU＝mv2 解得：v＝。 (2)电子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力充当向心力，由于电子向上偏转，由左手定则判断磁感应强度的方向为垂直于纸面向外。如图所示，电子在磁场中沿圆弧ab运动，圆心为c，半径为R。 则由牛顿第二定律得：Bev＝m，tan＝ 联立上各式可得：B＝ tan。 [答案]　(1) (2) tan　垂直于纸面向外 [拓展]　在[典例