1.4.1 洛伦兹力与现代技术 课件-2026-2027学年高二下学期物理粤教版选择性必修第二册

该高中物理课件围绕洛伦兹力、带电粒子在匀强磁场中的运动及回旋加速器、质谱仪等现代技术展开，通过“如何获得高能粒子”的问题导入，衔接洛伦兹力知识与技术应用，构建知识支架帮助学生理解前后脉络。 其亮点在于通过洛伦兹力演示器实验验证（科学探究），结合轨道半径、周期公式推导（科学思维），将运动和相互作用观念应用于回旋加速器、质谱仪分析。学生能提升探究与推理能力，教师可借助实例高效教学。

第一章 磁场 粤教版 选择性必修一 第四节 洛伦兹力与现代技术 1 知识回顾 方向： —— 洛伦兹力 磁场对运动电荷的作用力 大小： 左手定则 四指 穿手心 大拇指 正电荷运动方向 负电荷运动反向 磁感线 洛伦兹力 v⊥B f ＝qvBsinθ（ θ是v与B间的夹角） v 匀速直线运动 1、带电粒子（重力不计）平行射入匀强磁场的运动状态？ 提出问题 2、垂直于磁场的方向射入匀强磁场的带电粒子，在匀强磁场中做什么运动？ 猜想：可能是匀速圆周运动！ f洛 v - f洛 v - f洛 v - f洛                v -  实验验证： 励磁线圈 （亥姆霍兹线圈） 电 子 枪 磁场强弱选择挡 加速电压选择挡 洛伦兹力演示器 改变电子束出射的速度 在两线圈之间产生平行于两线圈中心的连线的匀强磁场 玻璃泡内充有稀薄的气体(低压水银蒸汽)，在电子束通过时能够显示电子的径迹。 玻璃泡 励磁线圈(两个)           v - 实验验证： 洛伦兹力演示器 1、不加磁场时 2、加磁场(给励磁线圈通电)时 匀速直线运动 匀速圆周运动                -  v f洛 (1) 试推导带电粒子做圆周运动时的半径R 设匀强磁场磁感应强度为B，质量为m、电量为q的带负电粒子垂直射入磁场， 不计带电粒子所受重力 (2) 试推导带电粒子做圆周运动时的周期T 讨论与交流： 一、带电粒子在匀强磁场中的运动                -  v f洛 垂直于磁场的方向射入匀强磁场的带电粒子，在匀强磁场中做匀速圆周运动。 1、轨道半径： 2、运动周期： T与R和v均无关！！！ R与运动的速度成正比， 与B、比荷q/m成反比 T跟B、比荷q/m成反比 思考：若 v 与 B 之间的夹角θ，则带电粒子的运动轨迹如何？ 以速度v1做匀速直线运动 以速度v2做匀速圆周运动 等距螺旋线 d v1 v2 一、带电粒子在匀强磁场中的运动 思考：若 v 与 B 之间的夹角θ，则带电粒子的运动轨迹如何？ [例1] 如图所示为洛伦兹力演示仪的结构图，下列说法正确的是(　　) B A．励磁线圈中通有顺时针方向的电流 B．仅降低电子枪加速电压，电子束径迹的半径变小 C．仅减小励磁线圈中电流，电子做圆周运动的周期将变小 D．仅降低电子枪加速电压，电子做圆周运动的周期将变小 10 [例2] 如图所示，在垂直纸面向里的匀强磁场中，有a、b两个电子从同一处沿垂直磁感线方向开始运动，a 的初速度为v，b 的初速度为2v．则( )　 A．a 先回到出发点b后回到出发点 　　　 B．a、b 同时回到出发点 C．a、b 的轨迹是一对内切圆，且b的半径大 　 D．a、b 的轨迹是一对外切圆，且b的半径大 a b BC [例3] 粒子甲的质量与电荷量分别是粒子乙的4倍与2倍，两粒子均带正电荷。让它们在匀强磁场中同一点以大小相等、方向相反的速度开始运动。已知磁场方向垂直于纸面向里。下列四个图中能正确表示两粒子运动轨迹的是(　　) A　　　　　　　B C　　　　　　　　D A 练习：在方向垂直于纸面向里的匀强磁场的区域中，一垂直磁场方向射入的带电粒子的运动轨迹如图所示，由于带电粒子运动过程中受到空气阻力的作用，因此带电粒子的动能逐渐减小，下列说法正确的是(　　) A．粒子带正电，从A点运动到B点 B．粒子带正电，从B点运动到A点 C．粒子带负电，从A点运动到B点 D．粒子带负电，从B点运动到A点 D 新课导入 在粒子物理学的研究中，经常需要高能粒子做为“炮弹”去轰击未知原子，以便“打开”其内部结构。 那如何才能获得需要的高能粒子呢？ U 0 u0 -u0 t T 2T t U ~ ＋ － 多级直线加速器 由动能定理得带电粒子经n级的电场加速后增加的动能为： 电场力。 14 有的长达几十千米，坐落在两个城市之间…… 直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制． 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？ 二、回旋加速器 1932年劳伦斯研制世界第一台回旋加速器的D型室. 二、回旋加速器 D形盒区域：施加垂直盒底面的匀强磁场 窄缝区域：施加方向可调的电场 —— 匀速圆周运动 —— 匀加速运动 思考1：为什么D形盒缝隙施加的是方向可调的电场？ 思考2：电场变化的周期如何确定？ ①带电粒子在D形盒中运行的周期： ②每过 电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。 ③电场的变化周期要等于粒子的运动周期： 17 二、回旋加速器 D形盒区域：施加垂直盒底面的匀强磁场 窄缝区域：施加方向可调的电场 —— 匀速圆周运动 —— 匀加速运动 思考1：为什么D形盒缝隙施加的是方向可调的电场？ 思考2：电场变化的周期如何确定？ 思考3：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? 18 二、回旋加速器 匀速圆周 匀加速 思考4：某种带电粒子在回旋加速器中被不停的持续加速后，带电粒子的动能可以无限增大吗？这个最大动能跟加速电压有关吗？ （离开半径与D形盒半径相同） 对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关。 19 二、回旋加速器 思考6：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？ 思考5：加速电压会影响到什么？如何计算粒子在回旋加速器中运动的时间？ 匀速圆周 匀加速 20 二、回旋加速器的特点(大本P14) 1．速度和周期的特点：在回旋加速器中粒子的速度逐渐增大，但粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期T＝始终不变。 2．最大半径及最大速度：粒子的最大半径等于D形盒的半径R＝，所以最大速度vm＝。 3．最大动能及决定因素：最大动能Ekm＝＝，即粒子所能达到的最大动能由磁场B、D形盒的半径R、粒子的质量m及带电量q共同决定，与加速电场的电压无关。 21 二、回旋加速器的特点(大本P14) 4．粒子被加速次数的计算：粒子在回旋加速器盒中被加速的次数n＝(U是加速电压大小)，一个周期加速两次。设在电场中加速的时间为t1，缝的宽度为d，则nd＝，t1＝。 5．粒子在回旋加速器中运动的时间：总时间为t＝t1＋t2，在磁场中运动的时间t2＝T＝＝，故t1≪t2，一般认为在盒内的时间近似等于t2。 vm＝ 22 [例1] 如图所示，两个处于同一匀强磁场中的相同的回旋加速器，分别接在加速电压为U1和U2的高频交流电源上，且U1>U2，两个相同的带电粒子分别从这两个加速器的中心由静止开始运动，设两个粒子在加速器中运动的时间分别为t1和t2(在盒缝间加速时间忽略不计)，获得的最大动能分别为Ek1和Ek2，则(　　) A．t1<t2，Ek1>Ek2 B．t1＝t2，Ek1<Ek2 C．t1<t2，Ek1＝Ek2 D．t1>t2，Ek1＝Ek2 C t＝nT， 设粒子在加速器中绕行的圈数为n Ek＝2nqU U1>U2 n1<n2 Ek1＝Ek2 所以t1<t2 T不变， [例2] 回旋加速器是用来加速带电粒子的装置，如图所示。如果用同一回旋加速器分别加速质子H)和α粒子He)，α粒子的质量是质子的四倍，电荷量是质子的两倍，则(　　) B A．加速质子的交流电源的周期较小， 质子获得的最大动能也较小 B．加速质子的交流电源的周期较小， 两种粒子获得的最大动能一样大 C．加速质子的交流电源的周期较小， 质子获得的最大动能也较大 D．加速质子的交流电源的周期较大， 质子获得的最大动能较小 三、质谱仪 同位素是质子数相同、中子数不同、属于同一元素的原子，由于同位素的化学性质相同，不能利用化学方法加以区别！ 质量数不同，在磁场中做圆周运动的半径不同 25 课本P21例题：英国实验物理学家阿斯顿当年为了证明同位素的假说，设计了多种质谱仪测量同位素的比荷(粒子电量q与质量m之比)． 请结合物理学相关原理，尝试从理论上提出一种质谱仪的设计方案以实现下列功能． 功能一：使带电粒子获得一定的速度． 功能二：让粒子通过一个速度选择器，只留下特定速度的粒子，排除其他速度粒子的干扰． 功能三：让带电粒子进入磁场发生偏转． 记录粒子的运动轨迹，进而求得粒子的比荷． 三、质谱仪 26 三、质谱仪 -0 功能一：使带电粒子获得一定的速度 功能二：让粒子通过一个速度选择器，只留下特定速度的粒子，排除其他速度粒子的干扰 功能三：让带电粒子进入磁场发生偏转，记录粒子的运动轨迹，进而求得粒子的比荷 So 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，并按比荷顺序的大小排列 27 课本P24 4. 利用质谱仪测量氢元素的同位素，如图所示，让氢元素的三种同位素氕、氘、氚的离子流从容器A下方的小孔无初速度飘入电势差为U的加速电场加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条质谱线。 （1）在进入磁场时，氢元素的哪种同位素的动能比较大？为什么？ （2）氢元素的哪种同位素在磁场中运动的时间比较长？为什么？ （3）a、b、c三条质谱线分别对应氢元素的哪一种同位素？ 动能相同 氚离子；氘离子；氕离子 氚离子 练习 (多选)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，速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和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A1A2，平板S下方有磁感应强度大小为B0的匀强磁场．下列说法正确的是(　　 ) 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里 C．通过速度选择器的粒子的速度等于 D．打在A1处的粒子比打在A2处的粒子的比荷大 AC 29 二. 质谱仪 由： 得： 课堂小结 一. 回旋加速器 1.条件： 2.粒子能量： 30 由qvmB＝、Ekm＝mv 得Ekm＝ $