第一章 第四节 洛伦兹力与现代技术（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材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 课程内容要求 核心素养提炼 了解质谱仪和回旋加速器的工作原理． 1．物理观念：了解质谱仪和回旋加速器的构造和作用． 2．科学探究：探究质谱仪、回旋加速器、速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔元件的工作原理． 3．科学态度与责任：在理论与实践结合的过程中体会成功的喜悦． [对应学生用书P19] 1．构造：两半圆金属盒D1、D2，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 (1)粒子从电场中获得动能，磁场的作用是改变粒子的速度方向． (2)周期：交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相等，周期T＝，与粒子速度大小v无关(选填“有关”或“无关”). (3)粒子的最大动能Ekm＝mv2，再由qvB＝m得：Ekm＝，最大动能决定于D形盒的半径r和磁感应强度B． [思考] 回旋加速器所用交流电压的周期由什么决定？ 提示　为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使之能量不断提高，交流电压的周期必须等于带电粒子在回旋加速器中做匀速圆周运动的周期，即T＝.因此，交流电压的周期由带电粒子的质量m、带电粒子的带电量q和加速器中的磁场的磁感应强度B来决定． 1．构造：由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成． 2．原理：(1)加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理：qU＝mv2. (2)偏转：带电粒子进入质谱仪的偏转磁场，洛伦兹力提供向心力：qvB＝. 由以上两式可以求出粒子的比荷、质量以及偏转磁场的磁感应强度等． [判断] (1)同位素经加速电场加速后获得的速度相同．(×) (2)因不同原子的质量不同，所以同位素在质谱仪中的半径不同．(√) [对应学生用书P20] 探究点一　回旋加速器 劳伦斯设计并研制出了世界上第一台回旋加速器，为进行人工可控核反应提供了强有力的工具，大大促进了原子核、基本粒子的实验研究． 讨论： (1)在回旋加速器中运动的带电粒子的动能来自于电场，还是磁场？ (2)带电粒子从回旋加速器中出来时的最大动能与哪些因素有关？ 提示　(1)带电粒子的动能来自于电场． (2)由动能Ek＝可知：带电粒子的最大动能与带电粒子的质量、电荷量，回旋加速器的半径和磁场磁感应强度有关． 1．工作原理 如图所示，D1和D2是两个中空的半圆形金属盒，它们之间有一定的电势差U，A处的粒子源产生的带电粒子在两盒之间被电场加速．D1、D2处于与盒面垂直的匀强磁场B中，粒子将在磁场中做匀速圆周运动，经半个圆周(半个周期)后，再次到达两盒间的缝隙，控制两盒间电势差，使其恰好改变电场的方向，于是粒子在盒缝间再次被加速，如果粒子每次通过盒间缝隙均能被加速，粒子速度就能够增加到很大． 2．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． 3．最大动能：由qvB＝和Ek＝mv2得Ek＝. (多选)1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是(　　) A．粒子由加速器的中心附近进入加速器 B．粒子由加速器的边缘进入加速器 C．粒子从磁场中获得能量 D．粒子从电场中获得能量 AD　[粒子从加速器的中间位置进入加速器，最后由加速器边缘飞出，所以A对，B错．加速器中所加的磁场使粒子做匀速圆周运动，所加的电场qu＝mv2，它用以加速粒子．所以粒子是从电场中获得能量．故C错，D对．] [训练1]　回旋加速器是用来加速带电粒子的装置，如图所示，它的核心部分是两个D形金属盒，两盒相距很近，分别和高频交流电源相连接，两盒间的窄缝中形成匀强电场，使带电粒子每次通过窄缝都得到加速．两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，带电粒子在磁场中做圆周运动，通过两盒间的窄缝时反复被加速，直到达到最大圆周半径时通过特殊装置被引出．如果用同一回旋加速器分别加速氚核(H)和α粒子(He)，比较它们所加的高频交流电源的周期和获得的最大动能的大小，有(　　) A．加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能也较大 B．加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能较小 C．加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能也较小 D．加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能较大 B　[带电粒子在磁场中运动的周期与交流电源的周期相同，根据T＝，知氚核(H)的质量与电荷量的比值大于α粒子(He)，所以氚核在磁场中运动的周期大，则加速氚核的交流电源的周期较大．根据qvB＝m得，最大速度v＝，则最大动能Ekm＝mv2＝，氚核的质量是α粒子的倍，氚核的电荷量是α粒子的倍，则氚核的最大动能是α粒子的倍，即氚核的最大动能较小．故B正确．] [训练2]　回旋加速器D形盒中央为质子流，D形盒的交流电压为U，静止质子经电场加速后，进入D