(讲义)第1章 第3节 洛伦兹力的应用-【提分教练】2023-2024学年新教材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 1．知道电偏转和磁偏转，知道显像管的构造和原理。 2．知道洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小。 3．探究显像管、质谱仪和回旋加速器的工作原理。 4．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。 知识点一　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。 　电视机发生故障，屏幕上只有一条竖直亮线，这是什么原因？ 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。 1．思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)显像管中的电子束受水平、竖直两个方向的磁场作用。 (√) (2)显像管中如果只减小加速电压，则荧光屏显示图像会变化。 (×) 知识点二　质谱仪 1．原理图：如图所示。 质谱仪原理示意图 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：可以分析同位素的比荷和测定离子的质量。 　用同一个质谱仪能够把氘H与氦He区分开吗？ 提示：不能，因为相等，轨迹相同，不能区分开。 2．思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)质谱仪可以分析同位素。 (√) (2)离子进入质谱仪的偏转磁场后洛伦兹力提供向心力。 (√) 知识点三　回旋加速器 1．构造图：如图所示。 回旋加速器原理示意图 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场。 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。 　在应用回旋加速器时，电场的周期与粒子在磁场中运动的周期相等。 3．思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”) (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。 (×) 4．填空 一个质子在回旋加速器中，从开始加速到被引出，设D形盒半径为R，磁场的磁感应强度为B，高频交变电源的电压为U，频率为f，质子的质量为m，电荷量为q，则有质子的最大速度为2πRf，最大动能为。 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＝，得r＝。可见粒子比荷越大，偏转半径越小。 考点1　对质谱仪工作原理的理解 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。 【典例1】　如图所示为某种质谱仪的结构示意图。其中加速电场的电压为U，静电分析器中与圆心O1等距各点的电场强度大小相同，方向沿径向指向圆心O1；磁分析器中在以O2为圆心、圆心角为90°的扇形区域内，分布着方向垂直于纸面的匀强磁场，其左边界与静电分析器的右边界平行。由离子源发出一质量为m、电荷量为q的正离子(初速度为零，重力不计)，经加速电场加速后，从M点沿垂直于该点的场强方向进入静电分析器，在静电分析器中，离子沿半径为R的四分之一圆弧轨迹做匀速圆周运动，并从N点射出静电分析器。而后离子由P点沿着既垂直于磁分析器的左边界又垂直于磁场的方向射入磁分析器中，最后离子沿垂直于磁分析器下边界的方向从Q点射出，并进入收集器。测量出Q点与圆心O2的距离为d。 (1)试求静电分析器中离子运动轨迹处电场强度E的大小； (2)试求磁分析器中磁场的磁感应强度B的大小和方向。 思路点拨：解答本题时应注意以下两点。 (1)在静电分析器中，电场力提供离子做圆周运动的向心力。 (2)在磁分析器中，洛伦兹力提供离子做圆周运动的向心力。 [解析]　设离子进入静电分析器时的速度为v，离子在加速电场中加速的过程中，由动能定理得： qU＝mv2 ① (1)离子在静电分析器中做匀速圆周运动