第3节 洛伦兹力的应用（教学课件） 物理鲁科版选择性必修第二册

该高中物理课件聚焦洛伦兹力的应用，系统讲解显像管、质谱仪、回旋加速器等设备原理，以“光速神枪”粒子束武器导入，衔接洛伦兹力概念，搭建从理论到技术应用的学习支架。 其亮点在于紧扣核心素养，通过质谱仪半径推导（科学思维）、显像管磁场方向探究（科学探究）、联系北京正负电子对撞机等案例（科学态度与责任），结合课堂小结梳理仪器组成与公式。学生能深化物理观念，提升推理能力，教师可借案例与练习优化教学，提高效率。

第1章 安培力与洛伦兹力 物理选择性必修第二册 •鲁科版2019 第3节 洛伦兹力的应用 高能粒子束武器 导入新课 粒子束武器主要由能源，粒子源，粒子加速器，目标识别、跟踪、自动扫描系统以及指挥控制系统等组成，关键部分是产生高能粒子束的粒子加速器。加速器将粒子源产生的电子、质子或光子加速到近光速，并用磁场把粒子聚集成密集的束流，直接或去掉电荷后发射出去，在极短的时间内将极大的能量传给目标，使其毁坏或失效。你知道“光速神枪”的来龙去脉吗？ 物理观念 能明确洛伦兹力在显像管、回旋加速器、质谱仪、磁流体发电机等设备中的核心作用，理解设备工作时洛伦兹力（或其分力）对粒子运动的影响，深化“洛伦兹力→粒子运动状态改变→技术应用”的物理认知。 科学思维 能通过分析回旋加速器中粒子加速与偏转的过程，推导粒子最大动能与磁场、D形盒半径的关系；结合质谱仪原理，解释如何通过粒子偏转轨迹计算比荷，提升理论推导与技术原理拆解能力。 科学探究 能参与“模拟洛伦兹力应用”实验（如用磁场、带电粒子源演示粒子偏转，或分析质谱仪工作示意图），观察粒子运动轨迹随磁场、速度的变化，验证洛伦兹力对粒子运动的调控作用，提高实验分析与原理应用能力。 科学态度 与责任 通过了解洛伦兹力应用技术在医疗诊断（如肿瘤放疗加速器）、材料分析（如质谱仪测元素成分）、能源探索（如磁流体发电）等领域的贡献，认识物理规律对科技革新的推动作用，培养运用物理知识关注科技发展、服务社会的责任意识。 学习目标 重点难点 重点 理解显像管、回旋加速器、质谱仪的工作原理及洛伦兹力的作用。 难点 推导回旋加速器粒子最大动能公式及分析磁流体发电原理。 电视机的显像管 01. 洛伦兹力的方向与粒子的运动速度方向垂直，当粒子在磁场中运动时，粒子受到洛伦兹力的作用，从而发生偏转。 显像管电视机中就应用了电子束磁偏转的原理。 电视机的显像管 01. 显像管中有一个电子枪，工作时它能发射高速电子撞击荧光屏，就能发光。可是，很细的一束电子打在荧光屏上只能使一个点发光，要使整个荧光屏发光，就要靠磁场来使电子束偏转了。 电视机的显像管 01. 从图中可以看出，没有磁场时电子束打在荧光屏正中的O点。为使电子束偏转，由安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场。 1.要使电子束在水平方向偏离中心，打在荧光屏上的A点，偏转磁场应该沿什么方向？ 2.要使电子束打在B点，磁场应该沿什么方向？ 3.要使电子束打在荧光屏上的位置由B点逐渐 向A点移动，偏转磁场应该怎样变化？ 垂直纸面向外 垂直纸面向里 先垂直纸面向外并逐渐减小,后垂直纸面向里并逐渐增大. 电视机的显像管 01. 在偏转区的水平方向和竖直方向都有偏转磁场，其方向、强弱都在不断变化，因此电子束打在荧光屏上的光点就像如图所示那样不断移动，这在电视技术中叫做扫描（scanning）。 电子束在荧光屏上扫描一行之后，迅速返回（虚线），再做下一行扫描，直到荧光屏的下端,叫做一场，电视机中每秒要进行50场扫描，由于人的“视觉暂留”，我们感到整个荧光屏都在发光． 01.电视机显像管 质谱仪 02. 质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。 质谱仪 02. 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 速度选择器 1.电离室：使中性气体电离，产生带电粒子 2.加速电场：使带电粒子获得速度 3.粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场 4.偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离 5.照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径 质谱仪 02. 加速获得速度： 在偏转磁场中： 加速电场 若粒子的电荷量相同而质量不同，则不同粒子进入匀强磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，因此打到照相底片的不同位置。 质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为＋e的正电子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做半径为R的匀速圆周运动。求： （1）粒子射出加速器时的速度v为多少？ （2）速度选择器的电压U2为多少？ （3）粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？ 课堂小练1 【解析】（1）在a 中，e 被加速电场U1加速，由动能定理有 ，得 （2）在b 中，e 受的电场力和洛伦兹力大小相等，即 ，代入v 值得 （3）在c中，e受洛伦兹力作用而做圆周运动，回转半径 ，代入v 值得 直线加速器 03. 在研究电场时，我们知道可以利用静电力对带电粒子做功增加粒子的能量，即 ,电压越高粒子增加的能量越大。但有一个技术问题就是如何产生高压？ 为了解决这一技术难题，我们想到了“多级加速”，也就是直线加速器。 北京正负电子对撞机 202米 能不能设计一种能实现多次加速，减少占地空间的加速器呢？ 直线加速器 03. 欧洲强子对撞磁场加速器 27公里 回旋加速器 04. 1929年，劳伦斯发明了后来被称为回旋加速器的“原子击破器”，1932年建成世界第一台回旋加速器。 利用电场对电荷的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用，在较小的范围内来获得高能粒子的装置。 回旋加速器 04. 回旋加速器的核心部件: （1）两个D形金属盒 （2）A粒子源 （3）交流电源 （4）偏转磁场 接高频 电源 狭缝 原理图 粒子源 回旋加速器 04. 回旋加速器 04. 1.为了保证带电粒子每次到达D形盒缝隙间都能被加速，D形盒缝隙的电场方向应该是恒定的还是变化的呢？ 由于粒子在D型盒内每回旋半圈，进入盒缝间就需要加速一次，因此类似于多级直线加速器，电场方向应该是变化的。 + - v1 + - v2 v3 v4 v m 2. 你认为这个电场变化的周期是恒定的吗？你分析的依据是？ 回旋加速器 04. 如果这个变化电场的周期是恒定的，我们就容易控制和实现。如果不是恒定的，控制和实现起来会有一定的技术困难。 回旋加速器 04. 3.在我们讨论带电粒子的回旋时间时，忽略了粒子在缝间的加速时间，为什么可以做这种忽略呢？ 因为两个D形盒的缝宽远小于盒的半径，粒子在D形盒中经过半周的回旋时间远远大于加速时间，因此可以忽略缝间加速时间。 回旋加速器 04. 4.回旋加速器加速不同比荷的带电粒子，是否需要调整变化电场的周期? 需要，因为带电粒子的回旋周期跟比荷有关，而电场的变化周期应该等于带电粒子的回旋周期。 回旋加速器 04. 5.带电粒子在回旋加速器磁场中运动时间是多少？ 粒子一个周期内被加速两次 粒子加速次数： 粒子在磁场中运动的总时间： 回旋加速器 04. 6.某种带电粒子在回旋加速器中被不停的持续加速后，带电粒子的能量能无限增大吗？这个最大能量跟加速电压有关吗？ 若 D 形盒半径为R，则 拓展学习 回旋加速器加速的带电粒子，能量达到 25 〜 30 MeV后，很难再加速了。原因是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度增加而增大，而质量的变化会导致其回转周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。 1、1879年美国物理学家E.H.霍尔观察到，在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差，如图所示，这一现象是1879年美国物理学家霍耳发现的，称为霍耳效应。该电势差称为霍耳电势差或霍耳电压。 霍耳 霍尔元件 拓展学习 2．霍尔效应电势高低判断：当载流导体中是正电荷导电，运动的带正电荷粒子所受的洛伦兹力方向向上，使运动的正电荷向上发生偏转聚集在导体板的上侧，而在导体板的下侧会出现多余的负电荷，从而造成上侧板电势比下侧板的电势高，从而形成向下的电场。如果当载流导体中是负电荷导电，则霍尔电压方向相反。 拓展学习 3．霍尔效应原理： （1）如图所示，厚度为h，宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中。当电流按如图方向通过导体板时，在导体板的上侧 面A和下侧面A′之间会产生稳定的电势差。 （2）电场对运动电荷的电场力与磁场对运动电荷的洛伦兹 力方向总是相反。最终电场力与洛伦兹力达到平衡。导体板上下两侧面之间就会形成稳定的电势差。即：qvB=qE=qU/h，则：U=Bvh （3）由于电流微观表达式：I＝nqsv，（s=dh）则电势差U＝Bvh＝kIB/d式中的比例系数k称为霍尔系数。 （4）由上式可得B＝Ud/kI，霍尔效应也是一种测量磁感应强度B的方法。 霍尔元件——把磁感应强度B这个磁学量转换为电压U这个电学量。 课堂小结 回旋 加速器 质谱仪 显像管 1.（显像管）显像管原理的示意图如图所示，当没有磁场时，电子束将打在荧光屏正中的O点，安装在管径上的偏转线圈可以产生磁场，使电子束发生偏转。设垂直纸面向里的磁场方向为正方向，若要使电子打在荧光屏上的位置由a点逐渐移动到b点，下列变化的磁场能够使电子发生上述偏转的是（　　） A 课堂练习 2.（回旋加速器）（多选）如图是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核(H)和氦核(He)。下列说法中正确的是(　　 ) A．它们的最大速度相同 B．它们的最大动能相同 C．它们在D形盒中运动的周期相同 D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能 √ √ 课堂练习 SZ-LWH 跟踪练习 Sz-lwh Qq:419561425 3.（霍尔元件）笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件。当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作；当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭，电脑进入休眠状态。如图所示，一块宽为a、长为c的矩形半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为e的自由电子，通入方向向右的电流时，电子的定向移动速度为v。当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向向下的匀强磁场中，于是元件的前、后表面间出现电压，以此控制屏幕的熄灭。则元件的（ ） A.前表面的电势比后表面的低 B.前、后表面间的电压U与v无关 C.前、后表面间的电压U与c成正比 D.自由电子受到的洛伦兹力大小为 D 课堂练习 4.（质谱仪）（多选）质谱仪的原理如图所示，由加速电场和偏转磁场组 成，虚线 上方区域存在垂直于纸面向外的匀强磁场。同位素离子源产 生 、 两种电荷量相同的离子，无初速度进入加速电场，经同一电压加 速后，垂直进入磁场， 离子恰好打在 点， 离子恰好打在 点。离子 重力不计，则下列说法正确的是( ) A.两个离子均为负离子 B. 离子质量比 离子质量小 C. 、 离子在磁场中的运动时间相等 D.若增大加速电场的电压 ，则两离子在偏转磁场中运 动的半径都变大 √ √ 课堂练习 SZ-LWH 跟踪练习 Sz-lwh Qq:419561425 34 5.（电磁炮）某科研单位制成了能把2.2 g的弹体(包括金属杆EF的质量)加速到10 km/s的电磁炮(常规炮弹的速度约为2 km/s)。如图所示,若轨道宽为2 m,长为100 m,通过的电流为10 A,试求轨道间所加匀强磁场的磁感应强度大小。(轨道摩擦不计) 课堂练习 B=55 T 6.（电磁流量计）一种测量血管中血流速度的仪器原理图，如图所示，在动脉血管两侧分别安装电极并加磁场，设血管直径为2mm，磁场的磁感应强感度为0.080T，电压表测出的电压为0.10mV，则血流速度大小为多少？ 解析：血液中有正、负离子，当血液流动时，血液中的正负离子受到洛伦兹力，使血管上、下壁出现等量异号电荷，使血管内又形成一个电场，当离子所受电场力和洛伦兹力相等时，血液上、下两壁间形成稳定电场，存在稳定电压，血液在血管中匀速流动。即 课堂练习 Lavf58.12.100 Lavf58.29.100 $