第1章 第4节 洛伦兹力与现代技术（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（粤教版2019）

第四节　洛伦兹力与现代技术 核心素养导学 物理观念 (1)知道带电粒子垂直进入匀强磁场后做匀速圆周运动，知道其半径公式和周期公式。 (2)了解回旋加速器和质谱仪的工作原理。 科学思维 (1)会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式和周期公式。 (2)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。 (3)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 利用洛伦兹力演示仪探究电子在无磁场和有磁场时的运动轨迹。 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、回旋加速器 1．带电粒子在匀强磁场中的运动 (1)实验观察 ①洛伦兹力演示仪(如图所示) ②实验结论 a．未加磁场时，电子束的径迹显示为一条直线。 b．加上磁场后，电子束的径迹是一个圆。 (2)半径公式和周期公式的推导 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力：qvB＝m，可得：R＝。 由T＝代入R＝，可得：T＝。 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，带电粒子的重力忽略不计，洛伦兹力提供向心力。　　 2．回旋加速器的构造和原理 (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。 二、质谱仪 1．发明人：英国实验物理学家阿斯顿。 2．一种质谱仪的理论设计 (1)构造：如图所示，由粒子源、加速电场、速度选择器、偏转磁场、照相底片等构成。 (2)原理： ①粒子由静止被加速，由动能定理可得： qU＝mv2，由此可得：v＝ 。 ②粒子经过速度选择器时：qvB1＝qE，可得：v＝。 ③粒子进入磁感应强度为B2的匀强磁场区域做匀速圆周运动，有：qvB2＝m，可得：＝。 3．用途：测量带电粒子的质量和分析同位素。 1.电子以某一速度进入洛伦兹力演示仪中。 (1)励磁线圈通电前后电子的运动情况相同吗？ 提示：①通电前，电子做匀速直线运动。②通电后，电子做匀速圆周运动。 (2)电子在洛伦兹力演示仪中做匀速圆周运动时，什么力提供向心力？ 提示：洛伦兹力提供向心力。 2.如图，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。判断下列说法的正误。 (1) 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期与速度有关。(×) (2)带电粒子做匀速圆周运动的半径与带电粒子进入匀强磁场时速度的大小有关。(√) (3)带电粒子若垂直进入非匀强磁场后做半径不断变化的运动。(√) 3．质谱仪和回旋加速器的原理是什么？ 提示：带电粒子在电场中加速，在磁场中做匀速圆周运动。 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。(×) 5.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，沿半圆轨迹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。(√) 新知学习(一) [任务驱动] 美丽的极光是由来自太阳的高能带电粒子流进入地球高空大气层出现的现象。科学家发现并证实，向地球两极做螺旋运动的这些高能粒子的旋转半径是不断减小的，这主要与哪些因素有关？ 提示：一方面磁场在不断增强，另一方面由于大气阻力粒子速度不断减小，根据r＝，半径r是不断减小的。　　　　 [重点释解] 1．由公式r＝可知，带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的半径r与比荷成反比，与速度v成正比，与磁感应强度B成反比。 2．由公式T＝可知，带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期T与速度v、半径r无关，与比荷成反比，与磁感应强度B成反比。 [典例体验] [典例]　(2022·梅州高二检测)粒子甲的质量与电荷量分别是粒子乙的4倍与2倍，两粒子均带正电荷。让它们在匀强磁场中同一点以大小相等、方向相反的速度开始运动。已知磁场方向垂直于纸面向里。则下列四个图中，能正确表示两粒子运动轨迹的是(　 ) [解析]　由洛伦兹力和牛顿第二定律可得r甲＝，r乙＝，