第四节 洛伦兹力与现代技术（教学课件）物理粤教版选择性必修第二册

第四节 洛伦兹力与现代技术 粤教版（2019）高中物理选择性必修第二册 第一章 磁场 @HY 新课引入 回旋加速器 质谱仪 带电粒子在有界磁场运动 洛伦兹力在现代科学技术中有着广泛的应用 回旋加速器 质谱仪 新课引入 回旋加速器 质谱仪 带电粒子在有界磁场运动 【情境】科研人员需要利用高速粒子对原子核进行“轰击”，以观测其可能产生的新粒子。 【思考问题】（1）有哪些方法使粒子获得更大的动能？ （2）利用多级加速的方法，多级加速器各级间的电压依次为U1、U2…Un，电荷量为q的粒子经过级加速后的动能是多少？ （3）直线加速器的缺点是什么？ 利用电场可以使带电粒子加速。早期的加速器是用不断提高电源的电压来使带电粒子加速。然而实际所能达到的电压是有限制的。 让带电粒子在多级电场的作用下进行多次加速，这就导致整个加速器延伸得相当长。 新课引入 回旋加速器 质谱仪 带电粒子在有界磁场运动 新课引入 回旋加速器 质谱仪 带电粒子在有界磁场运动 洛伦兹力恰好能够让带电粒子在磁场中做圆周运动，从而达到“绕回来”的目的。根据这一思路设计出的粒子加速装置，称为回旋加速器。 如图所示是洛伦兹力演示仪的实物图和原理图。电子枪可以发射电子束。玻璃泡内充有稀薄的气体，在电子束通过时能够显示电子的径迹。励磁线圈能够在两个线圈之间产生匀强磁场，磁场的方向与两个线圈中心的连线平行。 （1）未加磁场，观察洛伦兹力演示仪中电子束的径迹形状。 （2）在玻璃泡中施加沿两线圈中心连线方向、由纸面指向读者纸内指向纸外的磁场，观察洛伦兹力演示仪中电子束的径迹形状。 问题1：未加磁场时观察到电子做什么运动？ 问题2：加入磁场时电子做什么运动？ 问题3：通过观察实验，你能得出什么结论？ 如图所示是洛伦兹力演示仪的实物图和原理图。电子枪可以发射电子束。玻璃泡内充有稀薄的气体，在电子束通过时能够显示电子的径迹。励磁线圈能够在两个线圈之间产生匀强磁场，磁场的方向与两个线圈中心的连线平行。 （1）未加磁场，观察洛伦兹力演示仪中电子束的径迹形状。 （2）在玻璃泡中施加沿两线圈中心连线方向、由纸面指向读者纸内指向纸外的磁场，观察洛伦兹力演示仪中电子束的径迹形状。 1.实验现象：用洛伦兹力演示仪演示电子束的径迹 (1)未加磁场时，电子束的径迹是＿＿＿＿； (2)加上匀强磁场时，电子束的径迹是＿＿＿； (3)磁感应强度或电子的速度改变时，圆的半径发生＿＿。 (a)未加磁场时 (b)磁场垂直纸面向外时 一条直线 圆弧形 改变 新课引入 回旋加速器 质谱仪 带电粒子在有界磁场运动 2.规律分析：带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力f提供为向心力，则 (1)向心力： ＿＿＿＿＿＿＿＿＿； (2)轨道半径：＿＿＿； (3)运动周期：＿＿＿。 【说明】 运动周期T与运动速度v＿＿。 无关 新课引入 回旋加速器 质谱仪 带电粒子在有界磁场运动 3.回旋加速器： (1)结构：回旋加速器主要由圆柱形磁极、两个＿＿＿＿＿、＿＿＿＿电源、粒子源和粒子引出装置等构成； 劳伦斯 (a)世界上第一台回旋加速器 (b)原理图 半圆金属盒 高频交变 新课引入 回旋加速器 质谱仪 带电粒子在有界磁场运动 新课引入 回旋加速器 质谱仪 带电粒子在有界磁场运动 回旋加速器工作原理 1、作用：产生高速运动的粒子 2、原理 用磁场控制轨道、用电场进行加速 + - + - ~ vm U B R 新课引入 回旋加速器 质谱仪 带电粒子在有界磁场运动 回旋加速器工作原理 运动周期：＿＿＿。 【说明】 运动周期T与运动速度v＿＿。 交变电压的周期（频率） 等于粒子在磁场中运动的周期T（频率） 不能 无关 新课引入 回旋加速器 质谱仪 带电粒子在有界磁场运动 解： 当粒子从D形盒出口飞出时， 粒子的运动半径=D形盒的半径R m qBR v m = 新课引入 回旋加速器 质谱仪 带电粒子在有界磁场运动 问题4：带电粒子的最终能量 　　当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，带电粒子的最终动能： 　 所以，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R． 最终能量与加速电压无关 新课引入 回旋加速器 质谱仪 带电粒子在有界磁场运动 【回旋加速器理论总结】 1.电场加速： 3.加速条件：高频电源的周期与带电粒子在盒中运动的周期相同， 即 2.磁场约束偏转： 4.粒子的最大动能：设半圆形盒半径为R,则粒子做匀速圆周运动的最大半径为R， 由 得， 则， 与加速电压U