1.4 洛伦兹力的应用 课件 -2025-2026学年高二下学期物理教科版选择性必修第二册

复习任务群一 第一章　磁场对电流的作用 4　洛伦兹力的应用 1 学习任务目标 1.知道洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小；知道显像管的构造和原理。(物理观念) 2.探究质谱仪和回旋加速器的工作原理。(科学探究) 3.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。(科学态度与责任) 2 问题式预习 知识点一　利用磁场控制带电粒子的运动 1．磁偏转 如图所示为一具有圆形边界、半径为r的匀强磁场，磁感应强度大小为B，一个初速度大小为v0的带电粒子(质量为m，电荷量为q)沿该磁场的直径方向从P点射入，在____________作用下从Q点离开磁场。 洛伦兹力 3 圆心 B v0 方向 大小 4 [科学思维] (1)示波器利用______控制带电粒子的运动，速度大小______，速度方向______。 (2)显像管利用______控制带电粒子的运动，速度大小______，运动方向______。 电场 改变 改变 磁场 不变 改变 [做一做] 显像管的原理示意图如图所示，当没有磁场时电子束打在荧光屏正中的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，如果要使电子束打在荧光屏上的位置由P点逐渐移动到Q点，下列磁场能够使电子束发生上述偏转的是(　　) A　 　　　　B　　　　C　　　　D √ A　解析：要使电子束打在荧光屏上的位置由P点逐渐移动到Q点，需要电子在洛伦兹力作用下向下运动，P到O过程中洛伦兹力向上，O到Q过程中洛伦兹力向下，根据左手定则知，能够使电子束发生上述偏转的磁场是A。 知识点二　质谱仪 1．质谱仪：测量带电粒子______的仪器。 2．质谱仪的工作原理示意图(如图所示)。 比荷 qvB1 qvB2 [科学思维] 如图所示，有氕核、氘核、氚核、氦核四种带电粒子通过质谱仪在胶片上留下三个痕迹。 (1)带电粒子1为___。 (2)带电粒子2为_________。 (3)带电粒子3为___。 氕 氘和氦 氚 × √ × D形盒 增大 不变 [科学思维] 与带电粒子在回旋加速器中获得的最大动能有关的因素： [做一做] 回旋加速器是加速带电粒子的装置，其主体部分是两个D形金属盒。两金属盒处在垂直于盒底的匀强磁场中，并分别与高频交流电源两极相连接，从而使粒子每次经过两盒间的狭缝时都得到加速，如图所示。现要增大带电粒子从回旋加速器射出时的动能，下列方法可行的是(　　) A. 减小磁场的磁感应强度 B. 减小狭缝间的距离 C. 增大高频交流电压 D. 增大金属盒的半径 √ 任务型课堂 任务一　利用磁场控制带电粒子的运动 [探究活动] 图甲和图乙分别为示波管和显像管的结构图。正常工作时由二者的电子枪发射的电子束，经偏转电极(电场)和偏转线圈(磁场)，电子束打在荧光屏上使荧光屏发光，不计电子的重力。 16 (1)在示波管中，电子垂直于电场线进入匀强电场中，电子做什么运动？轨迹是怎样的？ (2)在显像管中，电子垂直于磁感线进入匀强磁场中，电子做什么运动？轨迹是怎样的？ 提示：(1)电子做类平抛运动；轨迹是抛物线。 (2)电子做匀速圆周运动；轨迹是圆。 17 [评价活动] 1．电视机显像管应用了电子束磁偏转的原理。如图所示，电子束经电子枪加速后进入偏转磁场，然后打在荧光屏上产生亮点。没有磁场时，亮点在O点；加上磁场后，亮点的位置偏离O点。以下说法正确的是(　　) A. 仅增大加速电压，亮点将远离O点 B. 仅减小磁感应强度，亮点将远离O点 C. 增大加速电压同时增大磁感应强度，亮点可能远离O点 D. 增大加速电压同时减小磁感应强度，亮点可能远离O点 √ C　解析：电子在加速电场中加速，由动能定理有eU＝mv，电子在偏转磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力充当向心力，有eBv0＝，解得R＝=，R越大，亮点越靠近O点，R越小，亮点越远离O点，仅增大加速电压、仅减小磁感应强度或增大加速电压同时减小磁感应强度，亮点均靠近O点，增大加速电压同时增大磁感应强度，R可能增大，可能不变，可能减小，则亮点可能远离O点，故选项C正确。 √ 3．如图所示，在宽l的范围内有方向如图所示的有 界匀强电场，场强为E，一带电粒子以速度v垂直于 电场方向和电场边界射入电场，不计重力，射出电 场时，粒子速度方向偏转了θ角，去掉电场，改换 成方向垂直纸面向外的有界匀强磁场，此粒子若 仍以速度v垂直射入磁场，它从磁场的另一侧射出时，也偏转了θ角。求此磁场的磁感应强度B的大小。 4．有一平行板电容器，内部为真空，两个极板的间距为d，极板长为l，极板间有一匀强电场，两极板间的电压为U，电子从极板左端的正中央以初速度v0射入，其方向平行于极板，并打在极板边缘的D点，如图甲所示。电子的电荷量用e表示，质量用m表示，重力不计。回答下列问题(结果用题中物理量表示)： (1)电子打到D点时的动能多大？ (2)电子的初速度v0必须大于何值，电子才能飞出极板？ (3)若极板间没有电场，只有垂直纸面的匀强磁场，磁感应强度大小为B，电子从极板左端的正中央以平行于极板的初速度v0射入，如图乙所示，则电子的初速度v0为何值时，电子才能飞出极板？ 电偏转和磁偏转的对比 项目 匀强电场中偏转 匀强磁场中偏转 偏转条件 垂直电场线进入匀强电场(不计重力) 垂直磁感线进入匀强磁场(不计重力) 受力情况 电场力F＝qE的大小、方向都不变 洛伦兹力F洛＝qvB的大小不变，方向随v的方向的改变而改变 运动轨迹 抛物线 圆或圆的一部分 项目 匀强电场中偏转 匀强磁场中偏转 运动轨迹图 求解方法处理 偏移量y和偏转角φ要通过类平抛运动的规律求解 偏转量y和偏转角φ要结合圆的几何关系，通过对圆周运动的讨论求解 动能变化 动能增大 动能不变 任务二　对质谱仪的理解 [探究活动] 如图所示为质谱仪原理示意图。带电粒子从容器A下方的小孔S1进入质谱仪后打在底片上。 (1)速度相同、比荷不同的带电粒子打在质谱仪显示屏上的位置相同吗？ (2)不同的带电粒子经同一电场加速，再经同一匀强磁场偏转后打在质谱仪显示屏上的位置相同吗？ 提示：(1)位置不同。(2)位置不同。 32 [评价活动] 1．1922年英国物理学家和化学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究荣获了诺贝尔化学奖。若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列相关说法正确的是 (　　) A. 该束带电粒子带负电 B. 速度选择器的P1极板带负电 C. 在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷 越小 D. 在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大 √ 2．(多选)某一含有速度选择器的质谱仪原理如图所示，A0为粒子加速器，B0为速度选择器，C0为偏转分离器。磁场与电场正交，磁感应强度为B，速度选择器两极板间电压为U，板间距为d。现有比荷为k的带正电粒子(重力不计)，从O点由静止开始经加速后沿直线通过速度选择器，粒子进入偏转分离器后做圆周运动的半径为R，则下列说法正确的是 (　　) √ √ 3．如图所示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，速度选择器内存在相互正交的匀强磁场和匀强电场，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和记录粒子位置的胶片；平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场。下列表述不正确的是 (　　) A. 质谱仪是分析同位素的重要工具 B. 速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 C. 能通过狭缝P的带电粒子的速率等于 D. 粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小 √ 任务三　对回旋加速器工作原理的理解 [探究活动] 如图所示，回旋加速器的核心部分是两个D形金属盒，两盒之间留下一个窄缝，在中心附近放有粒子源，D形盒在真空容器中，整个装置放在巨大的匀强磁场中，并把两个D形盒分别接在高频交流电源的两极上。 (1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？ (2)交变电场的周期改变是否要求越来越快，以便能使粒子在缝隙处刚好被加速？ 40 提示：(1)磁场的作用是使带电粒子回旋，电场的作用是使带电粒子加速。 (2)交变电场的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期，是不变的，和粒子运动速度无关。 [评价活动] 1．(多选)1931年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙。下列说法正确的是(　　) A. 离子由加速器的中心附近进入加速器 B. 离子由加速器的边缘进入加速器 C. 离子从磁场中获得能量 D. 离子从电场中获得能量 √ √ AD　解析：回旋加速器的原理是带电粒子在电场中加速，在磁场中偏转，每转半周加速一次，因此其轨道半径越来越大。粒子是从加速器的中心附近进入加速器的，最后是从加速器的最外边缘引出的，故A正确，B错误。由于洛伦兹力并不做功，而粒子通过电场时，有qU＝ΔEk，故粒子是从电场中获得能量，故C错误，D正确。 2．(多选)如图所示，回旋加速器D形盒的半径为R，用来加速质量为m、电荷量为q的质子，质子每次经过电场区时，都恰好在电压为U时被加速，且电场可视为匀强电场，使质子由静止加速到能量为E后，由A孔射出。下列说法正确的是 (　　) A. D形盒半径R、磁感应强度B均不变，若加速电压U越高， 质子的能量E将越大 B. 磁感应强度B不变，若加速电压U不变，D形盒半径R越 大，质子的能量E将越大 C. D形盒半径R、磁感应强度B均不变，若加速电压U越高，质子在加速器中的运动时间将越长 D. D形盒半径R、磁感应强度B均不变，若加速电压U越高，质子在加速器中的运动时间将越短 √ √ 3．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能得到加速。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。若粒子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为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)所加高频交流电源的频率为多少？粒子运动的角速度为多少？ (4)粒子离开加速器时速度为多少 ？ 50 本节课掌握了哪些考点？ 本节课还有什么疑问点？ 51 $