1.3 洛伦兹力的应用（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年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 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 栏目索引 必备知识 自主学习 关键能力 互动探究 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 必备知识 自主学习 电场 磁场 电场 磁场 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 × √ 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 qU qvB 比荷 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 √ × 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 交变电压 加速 匀强磁场 匀速圆周 半个 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 √ √ × 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 关键能力 互动探究 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 谢谢观看！ 返回导航 高中物理 选择性必修 第二册 （L） 第1章　安培力与洛伦兹力 核 心 素 养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 能认识安培力和洛伦兹力的内涵，会计算安培力和洛伦兹力的大小，并会判断其方向，能用洛伦兹力分析带电粒子在匀强磁场中的圆周运动；能运用洛伦兹力解释一些自然现象，说明磁偏转技术的应用。具有与安培力和洛伦兹力等相关的比较清晰的运动与相互作用观念。 1.了解显像管、质谱仪、回旋加速器的基本构造、工作原理及基本用途。 2．会利用圆周运动知识和功能关系分析质谱仪和回旋加速器的工作进程。 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；在合作中实事求是，能坚持观点又能修正错误；认识到磁技术应用对人类生活的影响，能了解科学·技术·社会·环境的关系。 知识点一 显像管❶ 1．电偏转：利用______改变带电粒子的运动方向。 2．磁偏转：利用______改变带电粒子的运动方向。 3．显像管原理：电子枪发出的电子，经______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______作用下，运动方向发生偏转，从而实现扫描，在荧光屏上显示图像。 1．显像管运用的是电子束的电偏转原理。(　 　) 2．显像管中的电子束受水平、竖直两个方向的磁场作用。(　 　) 知识点二 质谱仪 1.原理图：如图所示。 2．加速：带电离子进入加速电场，由动能定理得：______＝ eq \f(1,2) mv2。 3．偏转：带电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，有____________＝ eq \f(mv2,r) 。❷ 4．质谱仪的应用：可以分析______和测定离子的质量。 1．质谱仪中的加速电场使粒子获得速度。(　 　) 2．同位素在质谱仪中的轨道半径相同。(　 　) 知识点三 回旋加速器 1.构造图：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____________。 作用：使带电粒子每经过该区域一次______一次。 (2)磁场的特点及作用 特点：D形盒处于与盒面垂直的____________中。 作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做____________运动，从而改变运动方向，______周期后再次进入电场。 1．回旋加速器工作时，电场必须是周期性变化的。(　 　) 2．回旋加速器中，磁场的作用是改变粒子速度的方向，便于多次加速。(　 　) 3．增大两D形盒间的电压，可以增大带电粒子所获得的最大动能。(　 　) 批注❶：显像管构造：如图所示，电视显像管由电子枪、偏转线圈和荧光屏组成。 批注❷：由于带电粒子的偏转距离x＝2r，结合关系式qU＝ eq \f(1,2) mv2、qvB＝m eq \f(v2,r) 可得，粒子的比荷 eq \f(q,m) ＝ eq \f(8U,B2x2) 。则x＝ eq \f(2,B) eq \r(\f(2U,\f(q,m))) ，说明凡是比荷不相等的离子都被分开，并按比荷的大小顺序排列。 探究点一　对质谱仪工作原理的理解　(科学思维之提升) ►情境探究 如图甲所示，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，其工作原理如图乙所示。请问： INCLUDEPICTURE "WLXB2156.TIF" 　 (1)图乙中S1、S2之间的电场起什么作用？ (2)同位素的特点是什么？经过加速电场获得的动能有什么特点？ (3)粒子打在底片上的位置到S3的距离有多大？ 提示：(1)使粒子加速，获得一定的速度。 (2)同位素的特点是电荷量相等，质量不相等。由于电荷量相等，同位素经过同一加速电场获得的动能相等。 (3) eq \f(2,B) eq \r(　,\f(2mU,q)) 。 ►探究归纳 1．从S1与S2之间得以加速的粒子的电性是固定的，因此进入偏转磁场的粒子的电性也是固定的。 2．打在底片上同一位置的粒子，只能判断其 eq \f(q,m) 是相同的，不能确定其质量或电荷量一定相同。 ►对点例练 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 eq \o\al(\s\up1(1),\s\do1(1)) H、 eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(1)) H、 eq \o\al(\s\up1(3),\s\do1(1)) 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？ 答案：(1) eq \f(2,B) eq \r(\f(2mU,q)) 　(2)1∶ eq \r(2) ∶ eq \r(3) 解析：(1)离子在电场中被加速时，由动能定理得 qU＝ eq \f(1,2) mv2 进入磁场时洛伦兹力提供向心力， qvB＝ eq \f(mv2,r) ，又x＝2r， 由以上三式得x＝ eq \f(2,B) eq \r(\f(2mU,q)) 。 (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＝ eq \r(mH) ∶ eq \r(mD) ∶ eq \r(mT) ＝1∶ eq \r(2) ∶ eq \r(3) 。 [练1] (多选)(2021·云南玉溪第二中学高二期中)质谱仪是一种测定带电粒子质量和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，可以判断(　　) A．若离子束是同位素，则x越大，离子质量越大 B．若离子束是同位素，则x越大，离子质量越小 C．只要x相同，则离子的质量一定相同 D．只要x相同，则离子的比荷一定相同 AD　解析：设离子质量为m、电荷量为q，经加速电场加速后获得的速度大小为v。根据动能定理有qU＝ eq \f(1,2) mv2，设匀强磁场的磁感应强度大小为B，离子做匀速圆周运动的半径为r，根据牛顿第二定律有qvB＝m eq \f(v2,r) ，由题意可知x＝2r，联立以上三式解得x＝ eq \f(2,B) eq \r(\f(2mU,q)) ，因此，若离子束是同位素，则电荷量q相同，故x越大，m越大；且只要x相同，离子的比荷一定相同，A、D正确，B、C错误。 探究点二　对回旋加速器工作原理的理解　(科学思维之提升) ►情境探究 为了实现在较小范围内使粒子获得多次电场加速的目的，美国物理学家劳伦斯制作了回旋加速器，其原理示意图如图所示，试回答下列问题： (1)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期有什么特点？ (2) 粒子每经过一个周期，电场加速几次？电场是恒定的还是周期性变化的？ (3)离盒时粒子的最大动能是多少？与哪些因素有关？ 提示：(1)带电粒子做圆周运动的周期T＝ eq \f(2πm,qB) 。对一个特定的带电粒子，在固定不变的匀强磁场中，其周期是一个定值。 (2)两次。两次的入射方向相反，因此两次加速的电场方向也应相反，因此电场应该是周期性变化的。 (3) eq \b\lc\ \rc\}(\a\vs4\al\co1(\x(R＝\f(mv,qB))→\x(v＝\f(qBR,m)),　　　\x(Ek＝\f(1,2)mv2))) Ek＝ eq \f(q2B2R2,2m) 由以上各式可以看出，粒子的最大动能为 eq \f(q2B2R2,2m) ；与粒子的电荷量q、质量m、匀强磁场的磁感应强度B以及D形盒的最大半径R有关。 ►探究归纳 1．磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动。其周期在q、m、B不变的情况下与速度和轨道半径无关，带电粒子每次进入D形盒都运动半个周期( eq \f(πm,qB) )后平行电场方向进入电场加速。如图所示。 2．电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的狭缝区域存在周期性变化的且垂直于两个D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速。根据动能定理：qU＝ΔEk。 3．带电粒子的最终能量：由r＝ eq \f(mv,qB) 知，当带电粒子的运动半径最大时，其速度也最大，若D形盒半径为R，则带电粒子的最终动能Ekm＝ eq \f(q2B2R2,2m) 。可见，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能地增大磁感应强度B和D形盒的半径R。 4．粒子被加速次数的计算：粒子在回旋加速器中被加速的次数n＝ eq \f(Ekm,qU) (U是加速电压的大小)，一个周期加速两次。 5．粒子在回旋加速器中运动的时间：在电场中运动的时间为t1，在磁场中运动的时间为t2＝ eq \f(n,2) T＝ eq \f(nπm,qB) (n是粒子被加速的次数)，总时间为t＝t1＋t2，因为t1≪t2，所以一般认为粒子在回旋加速器中运动的时间近似等于t2。 ►对点例练 回旋加速器是用于加速带电粒子流，使之获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属扁盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接，以便在盒间狭缝中形成匀强电场，使粒子每穿过狭缝都得到加速；两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面。粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出粒子的电荷量为q、质量为m，粒子的最大回旋半径为Rm，其运动轨迹如图所示，问： (1)粒子在盒内做何种运动？ (2)粒子在两盒间狭缝内做何种运动？ (3)所加交变电压的频率为多大？粒子运动的角速度多大？ (4)粒子离开加速器时的速度多大？ 答案：(1)匀速圆周运动　(2)匀加速直线运动 (3)f＝ eq \f(qB,2πm) 　ω＝ eq \f(qB,m) 　(4)vm＝ eq \f(qBRm,m) 解析：(1)D形盒由金属导体制成，可屏蔽外电场，因而盒内无电场，盒内仅存在垂直盒面的磁场，故粒子在盒内磁场中做匀速圆周运动。 (2)两盒间狭缝内存在周期性变化的匀强电场，且粒子速度方向与电场方向在同一条直线上，故粒子做匀加速直线运动。 (3)粒子在电场中的运动时间极短，因此高频交变电压的频率要符合粒子的回旋频率f＝ eq \f(1,T) ＝ eq \f(qB,2πm) ， 粒子的角速度ω＝2πf＝ eq \f(qB,m) 。 (4)粒子最大回旋半径为Rm，Rm＝ eq \f(mvm,qB) ，则 vm＝ eq \f(qBRm,m) 。 [练2] (多选)(2021·山东济南高二期中)如图所示是医用回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源两端相连。现分别加速质子( eq \o\al(\s\up1(1),\s\do1(1)) H)和氘核( eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(1)) H)。下列说法正确的是(　　) A．它们的最大速度相同 B．质子的最大动能小于氘核的最大动能 C．仅增大高频电源的电压不可能增大粒子的最大动能 D．加速质子所用高频电源的频率大于加速氘核所用高频电源的频率 CD　解析：设质子质量为m、电荷量为q，则氘核质量为2m、电荷量为q，由公式qvB＝m eq \f(v2,r) ，得r＝ eq \f(mv,qB) ，因此质子和氘核的最大速度分别为v1＝ eq \f(qBR,m) 、v2＝ eq \f(qBR,2m) ，A错误；质子的最大动能Ek1＝ eq \f(q2B2R2,2m) ，氘核的最大动能Ek2＝ eq \f(q2B2R2,4m) ，所以质子的最大动能大于氘核的最大动能，B错误；被加速粒子的最大动能与高频电源的电压无关，所以仅增大高频电源的电压不可能增大粒子的最大动能，C正确；高频电源的频率与粒子在磁场中的回旋频率相同，即f1＝ eq \f(qB,2πm) 、f2＝ eq \f(qB,4πm) ，所以加速质子所用高频电源的频率大于加速氘核所用高频电源的频率，D正确。 求解回旋加速器问题的两点注意 (1)带电粒子通过回旋加速器最终获得的动能Ekm＝eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(m)) eq \f(q2B2R,2m) ，与加速的次数以及加速电压U的大小无关。 (2)交变电源的周期与粒子做圆周运动的周期相等 eq \o(。,\s\do4(　,)) 探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练3] (科技情境)如图所示，电视显像管中有一个电子枪，工作时它能发射电子，荧光屏被电子束撞击就能发光。在偏转区有垂直于纸面的磁场B1和平行于纸面沿竖直方向的磁场B2，就是靠这样的磁场来使电子束偏转，使整个荧光屏发光。经检测仅有一处故障：磁场B1不存在，则荧光屏上(　　) A．不亮 B．仅有一条水平亮线 C．仅有一个中心亮点 D．仅有一条竖直亮线 B　解析：若磁场B1不存在，只存在平行于纸面沿竖直方向的磁场B2，根据左手定则可知，电子所受洛伦兹力只在水平方向上，可知荧光屏上仅有一条水平亮线，B正确。 [练4] (科技情境)(多选)如图所示为一种质谱仪示意图，由加速电场、静电分析器和磁分析器组成。若静电分析器通道中心线的半径为R，通道内均匀辐射电场在中心线处的电场强度大小为E，磁分析器有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向外。一质量为m、电荷量为q的粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器，由P点垂直边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q点。不计粒子重力。下列说法中正确的是(　　) A．极板M比极板N电势高 B．加速电场的电压U＝ER C．直径PQ＝2B eq \r(qmER) D．若一群离子从静止开始经过上述过程都落 在胶片上同一点，则该群离子具有相同的比荷 AD　解析：粒子在静电分析器内沿电场线方向偏转，说明粒子带正电荷，极板M比极板N电势高，A正确；由Uq＝ eq \f(1,2) mv2和Eq＝ eq \f(mv2,R) 可得U＝ eq \f(ER,2) ，B错误；直径PQ＝2r＝ eq \f(2mv,Bq) ＝2 eq \r(\f(ERm,B2q)) ，可见只有比荷相同的粒子才能打在胶片上的同一点，C错误，D正确。 $$