第1章 第3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（鲁科版2019）

第3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，知道实验器材对科学发展的重要性。 一、显像管 1．电偏转和磁偏转 (1)利用电场改变带电粒子的运动方向称为电偏转。 (2)利用磁场改变带电粒子的运动方向称为磁偏转。 2．显像管的工作原理 (1)电子枪发出电子，经电场加速形成电子束。 (2)电子束在磁场中偏转。 (3)荧光屏被电子束撞击发光。 二、质谱仪 1．原理图：如图所示。 2．加速 带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得： qU＝mv2。 3．偏转 带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力：qvB＝。 4．应用：测量粒子的比荷和质量。 (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是半圆形中空铜盒，两盒间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，但粒子绕圆周运动的周期不变。 4．最大动能：由qvB＝和Ek＝mv2得Ek＝。,1.当带电粒子垂直射入匀强电场和匀强磁场时，分析带电粒子在电场和磁场中的运动有何不同？ 提示：(1)带电粒子在匀强电场中，当v0⊥E时，粒子做匀变速曲线运动，用运动的合成与分解知识处理。 (2)带电粒子在匀强磁场中，当v0⊥B时，粒子做匀速圆周运动，利用洛伦兹力提供向心力和圆周运动知识处理。 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。(√) 3.一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) |认识显像管 [任务驱动] 显像管发生故障，屏幕上只有一条竖直亮线，你能解释故障发生在哪里吗？ 提示：屏幕上只有一条竖直亮线，说明电子在水平方向没有受洛伦兹力作用。根据左手定则可知，显像管竖直方向的磁场发生故障。　　　　 [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 (1)运动性质：匀速圆周运动。 (2)运动规律：r＝；T＝。 (3)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]　如图所示是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1]　在[典例]情境中，如果发现屏幕画面的幅度比正常时偏小，可能的原因是(　　) A．电子枪发射能力减弱，电子数减少 B．加速电场的电压过低，电子速率偏小 C．偏转线圈局部短路，线圈匝数减少 D．偏转线圈电流过大，偏转磁场增强