1.3 洛伦兹力的应用 课件-2025-2026学年高二上学期物理鲁科版选择性必修第二册

nullnull 知道速度选择器的工作原理并能解决其基本问题。 02 知道显像管的基本构造及工作的基本原理，认识电子束的磁偏转，知道磁偏转的相关应用。 01 重点 重点 知道质谱仪的工作原理，并能解决其基本问题。 03 重点 知道回旋加速器的工作原理并能解决其基本问题。 04 重难点 高能粒子束武器 粒子束武器主要由能源，粒子源，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？ 情境导入 微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？ 显像管电视机中就应用了电子束磁偏转的原理 qvB = m r = T == 知识回顾 01 显 像 管 电子枪结构图 由电子枪、偏转线圈和荧光屏组成。 核心知识 工作原理 (1)电子枪发射电子，经电场加速形成电子束； (2)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，从而实现扫描； (3)荧光屏被电子束撞击发光，显示图像。 核心知识 核心知识 1.如图所示为电视显像管的原理示意图。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，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。要使电子束 A.打在屏上A点，偏转磁场的方向应水平向右 B.打在屏上B点，偏转磁场的方向应垂直纸面向外 C.打在屏上的位置由A点逐渐向B点移动，磁感应强度大小应先减小，再反向增大 D.打在屏上的位置由B点逐渐向A点移动，磁感应强度大小应先增大，再反向减小 √ 例题 由左手定则可知，使电子束打在屏上的A点，偏转磁场的方向应垂直纸面向外，A错误； 由左手定则可知，使电子束打在屏上的B点，偏转磁场的方向应垂直纸面向里，B错误； 粒子在偏转磁场中洛伦兹力提供向心力，qvB=，解得r=，使电子束打在屏上的位置由A点逐渐向B点移动，电子做圆周运动的半径先变大后变小，故磁感应强度大小应先减小，再反向增大，C正确； 由C选项分析可知，使电子束打在屏上的位置由B点逐渐向A点移动，磁感应强度大小应先减小，再反向增大，D错误。 02 速 度 选 择 器 除了电视机显像管，磁偏转的原理还有其他应用吗? 情境导入 为了筛选不同种类的豆子，我们可以选用不同筛眼儿的筛子进行筛选，带电粒子筛选用什么装置呢？ 情境导入 速度选择器-------一种可以选择某种速度的带电粒子的实验工具 原理图 如图，两极板间存在匀强电场和匀强磁场，二者方向互相垂直，带电粒子从左侧射入，不计重力 若粒子运动轨迹不发生偏折，必须满足 平衡条件 ，故 这样就把满足的粒子选择出来了 qvB qE qvB qE 核心知识 + F洛 F电 + F洛 F电 + F洛 F电 ①当时，粒子做匀速直线运动； F电不做功，粒子动能不变，电势能不变。 ②当时，粒子向F洛方向偏转； F电做负功，粒子的动能减小，电势能增大。 ③当时，粒子向F电方向偏转； F电做正功，粒子的动能增大，电势能减小。 核心知识 原理图 速度选择器只选择速度，而不能选择电性、电荷量，且具有单向选择性 原理图 某粒子在速度选择器中匀速运动，若只改变其电性或电荷量，粒子能否匀速通过？ 粒子仍能匀速通过，由qvB=qE，得v= 思考与讨论 2.(2024·宁德市高二期末)芯片制造中的重要工序之一是离子注入，速度选择器是离子注入机的重要组成部分。速度选择器模型简化如图所示，一对平行金属板中存在匀强电场和匀强磁场，其中电场的方向与金属板垂直，磁场的方向与金属板平行且垂直纸面向里。一不计重力的离子以一定速度自P点沿中轴线射入，恰沿中轴线做匀速直线运动。下列说法正确的是 A.穿过小孔的离子一定带正电 B.穿过小孔的离子速度大小一定为 C.穿过小孔的离子比荷一定相同 D.若离子从右侧沿中轴线射入仍能做匀速直线运动 √ 例题 离子做匀速直线运动，电场力与洛伦兹力平衡，若离子带负电，电场力方向向上，洛伦兹力方向向下，若离子带正电，电场力方向向下，洛伦兹力方向向上，可知，两种情景，电场力与洛伦兹力均能够达到平衡，即离子可能带正电，也可能带负电，故A错误； 结合上述，根据平衡条件有qvB=qE，解得穿过小孔的离子速度大小一 定为v=，故B正确； 结合上述可知，不计重力的粒子只需要速度等于，洛伦兹力与电场力 一定平衡，离子就能够沿中轴线匀速通过速度选择器，与离子的比荷无关，故C错误； 若离子带正电，当离子从右侧沿中轴线射入时，电场力方向向下，洛伦兹力方向也向下，若离子带负电，当离子从右侧沿中轴线射入时，电场力方向向上，洛伦兹力方向也向上，两种情景中均不可能满足平衡条件，即若离子从右侧沿中轴线射入不能做匀速直线运动，故D错误。 03 质 谱 仪 带电粒子筛选还有其它装置呦，我们一起来看一看吧 情境导入 在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。 利用所学的知识，我们来进一步了解如何分开电荷量相同、质量不同的带电粒子。 情境导入 19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿设计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20 和氖-22，证实了同位素的存在。 阿斯顿 Francis William Aston 核心知识 质谱仪是一种分离和检测同位素的仪器。 同位素是指具有相同质子数和不同中子数的原子。 用途 核心知识 I为离子源； S1和S2为两个狭缝，在S1和S2之间加上电压U，构成加速电场; A为速度选择器 A点上部分为匀强磁场区域。 主要构造 粒子源 加速电场 偏转磁场 照相底片 质谱仪的原理示意图 速度选择器 核心知识 工作原理 1.在加速电场中电场力做功 加速电场U 2.经过速度选择器进入偏转磁场B时的速度 速度选择器 qU = m v = 核心知识 3.离子在偏转磁场中做匀速圆周运动的轨道半径 偏转磁场 4.在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2r r = 核心知识 照相底片 质谱线或谱线 5.联立以上各式可得粒子的比荷和质量分别为 利用质谱仪还可以准确地测出每种离子的质量。 = 比荷不相等的离子会被分开，并按比荷的大小顺序排列。 离子的比荷与偏转距离x的平方成反比。 = 核心知识 3.(多选)(来自教材)日本福岛核电站的核泄漏事故，使碘的同位素131I被更多的人了解。利用质谱仪可分析碘的各种同位素。如图所示，电荷量均为q的带正电的131I和127I质量分别为m1和m2，它们从容器A下方的小孔S1进入电压为U的加速电场(初速度忽略不计)，经电场加速后从小孔S2射出，垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上。下列说法正确的是 A.磁场的方向垂直于纸面向里 B.131I进入磁场时的速率为 C.131I与127I在磁场中运动的时间差值为 D.打到照相底片上的131I与127I之间的距离为-) √ √ 例题 粒子带正电，结合左手定则可知，磁场方向垂直纸面向外，A错误； 由动能定理知，131I在电场中得到的动能等于加速电场对它所做的功， 有m1=qU，得v1=，B正确； 131I和127I在磁场中运动的时间为周期的一半，结合周期公式T=可知两者在磁场中运动的时间差值为，C错误； 粒子做匀速圆周运动的半径r=， 可得131I的运动半径r1==， 127I的运动半径r2=， 两者打到照相底片上的距离为2r1-2r2=-)，D正确。 4.(2025·福州市高二期末)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，经过速度选择器，垂直平板S从狭缝P进入下方的匀强磁场B0。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的大小分别为B和E，平板S上有记录粒子位置的胶片A1、A2。若粒子在磁场B0中做圆周运动的周期为T，则下列表述正确的是 A.速度选择器中的磁场方向垂直于纸面向里 B.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于 C.粒子在磁场B0中运动时间为 D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小 √ 例题 根据原理图中粒子在磁场B0中向左偏转，由左手定则可知粒子带正电，则粒子在速度选择器内所受静电力向右，故洛伦兹力必向左，由左手定则可判断磁场方向垂直纸面向外，故A错误； 由qE=qvB，得v=，此时离子受力平衡，可沿直线穿过速度选择器，故B错误； 粒子在磁场B0中做圆周运动的周期为T，其在磁场B0中的运动轨迹为半 圆，故粒子在磁场B0中运动时间为，故C正确； 由B0qv=m，可得=，则粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，R越 小，粒子的比荷越大，故D错误。 04 回 旋 加 速 器 高能离子束武器是如何获取高能粒子的？ 情境导入 单级加速器 多级直线加速器 能不能设计一种能实现多次加速，又减少占地空间的加速器呢？ 情境导入 回旋加速器两D形盒之间有狭缝，中心附近放置粒子源，D形盒间接上交流电源，在狭缝里形成一个交变电场。D形盒上有垂直盒面的匀强磁场。 构造图 核心知识 接高频 电源 狭缝 粒子源 粒子每经过一次加速 其轨道半径 粒子做圆周运动的周期： 工作原理 nqU＝= r＝ T = 核心知识 + + - 加速 加速 - + + 粒子经电场加速，经磁场回旋 1.回旋加速器中的磁场和电场分别起什么作用？ 思考与讨论 接高频 电源 狭缝 粒子源 ①粒子做匀速圆周运动的周期 粒子在每个D形盒中运动的时间 ②交变电场的周期 2.若带电粒子在电场中加速时间极短，可忽略，一个周期内带电粒子两次经过电场，要使带电粒子每次经过电场都能被加速的条件是什么？ T = t= = T电 = 思考与讨论 3.带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？如何提高粒子的最大动能？ 若D形盒半径为rm 对某种粒子q、m一定，粒子要获得的最大动能尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径rm 。 B＝ ＝ 最大动能与加速电压U无关。 思考与讨论 被加速的次数：n＝(U是加速电压的大小) 在电场中加速过程: nqU＝ 4.粒子加速的次数由哪些因素决定？ 加速电压的大小影响带电粒子的加速次数。 5.求粒子在回旋加速器中磁偏转的总时间(规定粒子加速到最大速度即为引出)。 在磁场中做圆周运动的圈数: 磁偏转的总时间t＝(n为加速次数) 被加速的次数：n＝ 思考与讨论 若粒子在回旋加速器电场中运动时间不可忽略，如何计算粒子在回旋加速器电场中加速的总时间？ 整个过程在电场中可以看成匀加速直线运动。 加速度a＝ 由vm＝at(vm为最大速度) ＝ ＝ 拓展 5.(2024·莆田第十五中学高二检测)1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，凭借此项成果，他于1939年获得诺贝尔物理学奖。其原理如图所示，置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略；磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，交流电源频率为f，加速电压为U。若A处粒子源产生质子的质量为m、电荷量为+q，在加速过程中不考虑相对论效应和重力对粒子的影响。则下列说法正确的是 A.粒子从磁场中获得能量 B.被加速的带电粒子在回旋加速器中 做圆周运动的周期随半径的增大而增大 C.质子离开回旋加速器时的最大动能 与D形盒半径成正比 D.该加速器加速质量为4m、电荷量为2q的α粒子时，交流电源频率应变为 √ 例题 粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力对粒子不做功，所以动能不变，故A错误； 粒子在磁场中运动的周期T=，被加速的带电粒子在回旋加速器中做 圆周运动的周期与半径无关，故B错误； 粒子在磁场中做圆周运动，洛伦兹力提供向心力，由qvB=m得v=，粒子的动能Ek=mv2=，可知质子离开回旋加速器时的最大动能与 D形盒半径的平方成正比，故C错误； 粒子在磁场中运动的周期T=，频率为f==，加速α粒子时，交流电的频率应变为f'==f，故D正确。 一. 显像管 二. 速度选择器 条件： 原理图 ，故 课堂小结 三. 质谱仪 四. 回旋加速器 由： 条件： 粒子能量： 粒子源 加速电场 偏转磁场 照相底片 速度选择器 = = Ek=mv2= T电= T磁= 课堂小结 本 课 结 束 Keep Thinking! Lavf58.12.100 Lavf57.83.100 Lavf58.29.100 $咱已经知道当电荷在磁场中运动方向跟磁场方向不平行时，就会受到洛伦兹力，且F路方向跟V的方向垂直，因此电荷在磁场中运动就会发生偏转。电视机的显像管就是根据这个原理来工作的。下面咱就来介绍一下，这里所说的不是液晶电视，而是这种老式的电视机，其核心部件是显像管，它是显示图像的关键。咱们先来认识一下它的基本结构。电视机显像管有电子枪、偏转线圈和荧光屏三部分组成。这个图实际上是俯视图和阴极射线管类似。电子枪的阴极发射出电子束，在电场力的作用下加速并聚焦偏转线圈通电产生磁场，方向与电子运动方向垂直，电子受到洛伦兹力就会发生偏转，偏转后的电子打在荧光屏上，荧光屏的内壁玻璃表面涂有一层薄薄的荧光粉，电子束打到它上面，荧光粉就会发光。咱就可以在屏幕上看到一个亮点，过一段时间亮光才会消失，这叫做余晖，如果偏转线圈不工作，电子束将沿直线运动打在O点，那如果想要打在A点，偏转磁场应该沿什么方向呢？根据左手定则，偏转磁场应该垂直纸面向外。同样要想使电子束打在B点，偏转磁场就应该垂直纸面向里。那要是想要打在荧光屏上的位置，由B点逐渐移向A点，应该如何控制偏转磁场呢？咱知道磁场越弱，洛伦兹力就越小，电子束的偏转越小。所以偏转磁场应该由垂直纸面向里逐渐减弱为零，在垂直纸面向外逐渐增强。垂直纸面方向的磁场只能控制电子束在水平方向上偏转，而我们要看整个屏幕，所以电子数还得能在竖直方向上偏转，所以这里还需要一个与纸面平行的磁场。为了产生这两个方向的磁场，实际的偏转线圈就是有两段，共四个，互相垂直分布。这是一对线圈的示意图，线圈中通入这样的电流是用右手螺旋定则。这部分线圈内部磁感线是这个方向，这个线圈内部是这样的方向。那中间空白区域就应该是这样向下的这就形成了其中一个方向的磁场。再来一段跟它垂直的，这样就可以同时控制电子左右方向和上下方向的偏转了。最后再来说说电视中的动画播放是如何实现的。我们知道电视中的动画实际上是由一帧一帧的静态画面所组成的。由于人有视觉暂留，看起来就变成了动画，所以电视机只需要显示出一帧一帧的静态画面就可以了。但事实上每一帧静态画面也不是同时出现在荧光屏上的，因为电子束相当于点，只能使荧光屏上一个点发光。实际上，人们通过控制线圈中电流，进而控制磁场按一定规律变化，使电子束打在荧光屏上的点像这样不断移动，这种移动方式称为扫描。电视机扫描的速度非常快，而荧光屏的发光具有余辉，所以我们看到整个荧光屏都在发光，这样就可以看到完整的静态画面了。连续播放不同的画面，由于人眼的视觉暂留，就会形成动态画面。好了，来总结一下，这次我给你讲了电视机显像管的工作原理。显像管由电子枪、偏转线圈和荧光屏组成，电子枪发射电子束，通过偏转线圈产生的磁场就会偏转，控制磁场的变化规律。电子数就会这样在荧光屏扫描仪荧光屏说到电子轰击就会发光，这样扫描的电子就能形成完整的静态画面，再加上人眼的视觉暂留，就会形成动态画面。都听懂了吗？听懂了就开始刷题去吧。