第1章 第3节 洛伦兹力的应用-【高考领航】2023-2024学年高中物理选择性必修第二册同步核心辅导与测评（鲁科版）

第3节　洛伦兹力的应用 核心素养要求 核心素养呈现 1.知道洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小. 2.知道电偏转和磁偏转，知道显像管的构造和原理. 3.知道质谱仪和回旋加速器的构造、原理以及用途. 　显像管 1．电偏转：利用电场改变带电粒子的运动方向称为电偏转． 2．磁偏转：利用磁场改变带电粒子的运动方向称为磁偏转． 3．显像管的构造和原理 (1)构造：如图所示，电视显像管由电子枪、偏转线圈和荧光屏组成． (2)原理：电子枪发出的电子，经电场加速形成电子束，在水平偏转线圈和竖直偏转线圈产生的不断变化的磁场作用下，运动方向发生偏转，实现扫描，在荧光屏上显示图像． 显像管工作时，电子束是依次扫描荧光屏上各点，可为什么我们觉察不到荧光屏的闪烁？ 提示：这是由于眼睛的视觉暂留现象，当电子束扫描频率达到人眼的临界闪烁频率时，由于视觉暂留的原因，人眼就感觉不到荧光屏的闪烁． 　质谱仪 1．原理示意图：如图所示． 2．加速：带电离子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得： qU＝mv2.① 3．偏转：离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＝.② 由①②两式可以求出离子的半径r、质量m＝、比荷＝等． 4．质谱仪的应用：可以分析比荷和测定离子的质量． 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．质谱仪的工作原理是什么？ 提示：将质量不等、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，由于粒子动量不同，引起轨迹半径不同而分开． 　回旋加速器 1．原理示意图：如图所示． 2．工作原理 (1)电场的特点及作用 特点：两个D形盒之间的窄缝区域存在交变电压． 作用：带电粒子经过该区域时被加速． (2)磁场的特点及作用 特点：D形盒处于与盒面垂直的匀强磁场中． 作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，从而改变运动方向，半个周期后再次进入电场． (1)回旋加速器中起加速作用的是磁场．(×) (2)回旋加速器中起加速作用的是电场，所以加速电压越大，带电粒子获得的最大动能越大．(×) (3)回旋加速器工作时，电场必须是周期性变化的．(√) 　对质谱仪工作原理的理解 [思考探究] 如图所示为质谱仪原理示意图．离子从容器A下方的小孔S1进入质谱仪后打在底片上，什么样的粒子打在质谱仪显示屏上的位置会不同？位置的分布有什么规律？ 提示：速度相同，比荷不同的粒子打在质谱仪显示屏上的位置不同．根据qvB＝，r＝.可见粒子比荷越大，偏转半径越小． [思维深化] 1．用途：测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具． 2．运动过程 (1)带电粒子经过电压为U的加速电场加速， qU＝mv2.① (2)垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，做匀速圆周运动，qvB＝m，② 由①②得r＝ . 3．三点说明 (1)速度选择器只选择粒子的速度(大小和方向)而不选择粒子的质量、电荷量和电性． (2)从S1与S2之间得以加速的粒子的电性是固定的，因此进入偏转磁场空间的粒子的电性也是固定的． (3)打在底片上同一位置的粒子，只能判断其是相同的，不能确定其质量或电荷量一定相同． 　质谱仪是一种测定带电粒子的质量及分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示，离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看成为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x. (1)设离子的质量为m、电荷量为q、加速电压为U、磁感应强度大小为B，求x的大小； (2)氢的三种同位素H、H、H从离子源S出发，到达照相底片的位置距入口处S1的距离之比xH∶xD∶xT为多少？ 【解析】　(1)离子在电场中被加速时，由动能定理有 qU＝mv2 进入磁场后洛伦兹力提供向心力，qvB＝，又x＝2r， 由以上三式得x＝ . (2)氢的三种同位素的质量数分别为1、2、3，由(1)结果知， xH∶xD∶xT＝：：＝1∶∶. 【答案】　(1) 　(2)1∶∶ 应用质谱仪的两点注意 (1)质谱仪的原理中包括粒子的加速、受力的平衡(速度选择器)、牛顿第二定律和匀速圆周运动等知识． (2)分析粒子的运动过程，建立各运动阶段的模型、理清各运动阶段之间的联系，根据带电粒子在不同场区的运动规律列出对应的方程． [针对训练] 1．现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定．质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场．若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍．此离子和质子的质量比约为(　　) A．11　　　　　　　　　　　 B．12 C．121 D．144 解