第1章 第3节 洛伦兹力的应用（课件）-【学而思·PPT课件分层练习】2025-2026学年高二物理选择性必修第二册（鲁科版2019）

第3节　洛伦兹力的应用 知识 清单破 知识点 1 知识点 1 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。 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 1.功能:质谱仪是一种分离和检测同位素的仪器。 2.原理图 知识点 1 知识点 2 质谱仪 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 3.工作原理 带电粒子在电场中加速:qU= mv2。 带电粒子在磁场中偏转: = 。 带电粒子的比荷: = 。 由此可知,带电粒子的比荷与偏转距离x的平方成反比。凡是比荷不相等的粒子都被分开,并 按比荷的大小顺序排列。 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 1.主要构造:两个金属D形盒。 2.工作原理 (1)磁场作用 带电粒子垂直磁场方向射入匀强磁场时,只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,其周期与速 率和半径都无关。 知识点 1 知识点 3 回旋加速器 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 (2)交变电压的作用 在两D形盒狭缝间产生周期性变化的电场,使带电粒子每经过狭缝就加速一次。 (3)交变电压的周期(或频率) 与带电粒子在磁场中做圆周运动的周期(或频率)相等。 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 1.显像管运用的是电子束的电偏转原理。 (　    ) 显像管运用的是电子束的磁偏转原理。 2.同位素由静止经加速电场加速后获得的速度相同。     (　    ) 由qU= mv2可知,因同位素的质量不同,所以获得的速度不同。 3.因不同原子的质量不同,所以同位素在质谱仪中运动的轨迹半径不同。 (　    ) 4.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。  (　    ) 回旋加速器中带电粒子获得的最大动能由D形盒的半径决定。 知识辨析 判断正误，正确的画“ √” ，错误的画“ ✕” 。 ✕ ✕ √ ✕ 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 疑难 情境破 疑难1 质谱仪的工作原理 讲解分析 质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。现以下图为例说明其结构和工作 原理。 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 (1)容器A中含有大量电荷量相同而质量有微小差别的带电粒子,从下方小孔飘出时,这些带 电粒子的初速度可认为都为零。 (2)对某个质量为m、电荷量为q的带电粒子进行分析:经过S1和S2之间电势差为U的电场加速 后,由qU= mv2可求得其从S2射出时的速度为v= 。该粒子进入偏转磁场后,在洛伦兹力 作用下做圆周运动。由qvB2= 可求得其轨迹半径r= ,将v= 代入可得r= =   。 (3)由r的表达式可知,电荷量相同而质量不同的带电粒子将沿不同轨迹做圆周运动,经过半个 圆周打在照相底片D上的不同位置,质量越大的带电粒子轨迹半径越大,质量越小的轨迹半径 越小。 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 干谱线状的细条,称为质谱线。 a.如果已知q、U、B2,又测出其半径r,可求得带电粒子的质量m= ,或求得其比荷 =  。 b.对质量有微小差别的同位素,因q相同、m不同,也可区别、分离出来。在底片上形成的若 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 典例　如图是质谱仪的工作原理示意图,带电粒子被加速电场加速后,进入速度选择器,速度 选择器内匀强磁场的磁感应强度为B,匀强电场的电场强度为E。平板S上有可让粒子通过的 狭缝P和记录粒子位置的照相底片A1A2,平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场。现有初速 度分布在较大范围内的大量的质子 H)、氘核 H)和α粒子 He)【1】进入加速电场上端,经狭 缝P沿如图轨迹打在照相底片A1A2上的M点和N点,最后在照相底片上出现了两条亮条纹 【2】。忽略粒子重力和粒子间相互作用。关于该过程,下列表述正确的是     (　    )   第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 A.一定只有两种粒子经过速度选择器后进入了下方磁场 B.三种粒子通过加速电场的过程中电场力做功相等 C.N处条纹是质子打到照相底片上形成的 D.P、N间的距离是M、N间的距离的两倍 信息提取　【1】可知质子 H)、氘核 H)和α粒子 He)的电荷量、比荷的关系; 【2】进入磁场后有两条运动轨迹。 思路点拨　根据电场力做功公式W=qU【3】分析粒子通过加速电场过程中电场力做功情况,根 据速度选择器的工作原理【4】分析粒子进入磁场时的速度,根据牛顿第二定律【5】分析轨迹圆 半径。 解析　带电粒子在加速电场中被加速,电场力做正功,有W=qU(由【3】得到),质子 H)、氘 核 H)通过加速电场过程中,电场力做功相等,小于电场力对α粒子 He)做的功(由【1】得 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 到),B错误;进入速度选择器,沿直线运动的粒子满足qE=qvB(由【4】得到),得v= ,因三种粒 子进入加速电场前的初速度分布在较大范围内,则三种粒子从加速电场飞出时速度都有可能 为v= ,三种粒子都可能通过速度选择器进入下方磁场(由【1】【3】得到),在偏转磁场中, 有qvB0=m (由【5】得到),得r= = ,所以粒子打在照相底片上的位置只与粒子的比荷 有关,照相底片上两条亮条纹可能是三种粒子打在照相底片上形成的,故A错误;粒子打在照 相底片上的位置与狭缝P的距离d=2r=2× ,与粒子的比荷成反比,则N处条纹是质子打到 照相底片上形成的,C正确;P、M间距离是P、N间距离的两倍,则P、N间的距离等于M、N间 的距离,D错误。故选C。 答案    C 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 疑难2 回旋加速器的工作原理 讲解分析 1.交变电压的周期 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期T= ,与速率、半径均无关,运动相等的时 间(半个周期)后进入电场,为了保证带电粒子每次经过狭缝时都被加速,须使狭缝两侧所加交 变电压的周期等于带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动的周期,所以交变电压的周期也与粒 子的速率、半径无关,由带电粒子的比荷和匀强磁场的磁感应强度决定。 2.带电粒子的最终能量 由r= 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 终速度vm= ,最终动能Ekm= ,与加速电压无关。 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 粒子在回旋加速器中被加速的次数n= = (U是加速电压),一个周期加速两次。 4.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= = (d为两D形盒间距),在磁场中运动的时间为t2= T= , 总时间为t=t1+t2,因为t1≪t2,一般认为在回旋加速器内的时间近似等于t2。 3.粒子被加速次数的计算 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 疑难3 洛伦兹力的应用——磁流体发电机和电磁流量计 讲解分析 1.磁流体发电机 如图甲所示,将一束等离子体(即高温下电离的气体,含有大量带正电和带负电的粒子,从整体 上来说呈电中性)喷射入匀强磁场,磁场中有两块金属板A、B,则高速射入的粒子在洛伦兹力 的作用下向A、B两板聚集,使两板间产生电势差。若平行金属板间距为d,匀强磁场的磁感应 强度为B,等离子体流速为v,气体从一侧垂直于磁场射入板间,不计气体电阻,外电路电阻为R, 运动的带电粒子在洛伦兹力作用下发生偏转,正、负粒子分别到达B、A极板(B为电源正极, 故电流方向从b到a),使A、B板间产生匀强电场,在电场力的作用下偏转逐渐减弱,当等离子 体不发生偏转即匀速穿过时,如图乙所示,有qvB=qE,所以两极板间最大电压 U=Ed=Bdv,根据 闭合电路欧姆定律可得最大电流I= 。 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 2.电磁流量计 (1)原理 如图所示是电磁流量计的示意图,当导电液体沿测量管运动时,液体中的正、负离子在洛伦 兹力作用下偏转,a、b间出现电势差,当正、负离子所受电场力与洛伦兹力平衡时,a、b间的 电势差就会保持稳定,测出a、b两点间的电势差U,就可以确定管中液体的流量Q。 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 (2)流量的计算 正、负离子随液体流动,受到与速度方向垂直的洛伦兹力,使正、负离子在上、下两侧聚积, 形成电场。当电场力与洛伦兹力平衡时,达到稳态,此时q =qvB,得v= ,液体流量Q= v = 。 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 典例　在某实验室中有一种污水流量计如图甲所示,其原理可以简化为如图乙所示模型:含 有大量正、负离子的污水从直径为d的圆柱形【1】容器右侧流入,从左侧流出,流量值Q等于单 位时间内通过容器横截面的液体的体积【2】,空间有垂直于纸面向里的磁感应强度为B的匀强 磁场。下列说法正确的是 (　    ) A.正、负离子所受洛伦兹力方向水平向左 B.正、负离子所受洛伦兹力方向相同 C.污水流量计也可以用于测量不含自由电荷的液体的流速 D.只需要测量M、N两点间电压就能够推算污水的流量 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 信息提取　【1】容器横截面积S= ; 【2】污水流量Q=Sv。 思路点拨　先根据左手定则【3】判断正、负离子所受洛伦兹力的方向,再根据电磁流量计工 作原理【4】分析C选项,然后根据平衡条件【5】分析污水的流速,最后根据流量定义求解污水流 量。 解析　正离子受到向下的洛伦兹力(由【3】得到),负离子受到向上的洛伦兹力(由【3】得 到),故A、B错误;正、负离子在洛伦兹力作用下往不同方向运动,从而形成电势差,通过测量 稳定时的电势差的大小可以计算流速(由【4】得到),因此无法测量不含自由电荷的液体的 流速,故C错误;M、N两点间电压稳定后,有qvB=q (由【5】得到),解得U=Bvd,污水流量Q=  v,解得Q= (由【1】【2】得到),故D正确。故选D。 答案    D 第1讲　描述运动的基本概念 第1章 安培力与洛伦兹力 $$