第五節(jié)洛倫茲力應用1/47

關鍵關鍵點突破課堂互動講練知能優(yōu)化訓練第五節(jié)洛倫茲力應用課前自主學案2/47課標定位學習目標：1.知道洛倫茲力只改變帶電粒子速度方向，不改變其速度大?。?．知道質譜儀和盤旋加速器結構和原理．重點難點：質譜儀和盤旋加速器原理和應用．3/47課前自主學案Bv0圖3－5－14/472．特點：只改變帶電粒子__________，不改變帶電粒子__________．二、質譜儀和盤旋加速器1．質譜儀(1)原理圖：如圖3－5－2圖3－5－2運動方向速度大小5/47qUqvB6/47質量m質量同位素7/472．盤旋加速器(1)結構圖：如圖3－5－3圖3－5－3盤旋加速器關鍵部件是兩個_________.D形盒8/47不變9/47關鍵關鍵點突破一、質譜儀工作原理了解質譜儀是利用電場和磁場控制電荷運動精密儀器，它是測量帶電粒子質量和分析同位素主要工具．其結構如圖3－5－4甲所表示，容器A中含有電荷量相同而質量有微小差異帶電粒子．經過S1和S2之間電場加速，它們進入磁場將沿著不一樣半徑做圓周運動，打到攝影底片不一樣地方，在底片上形成若干譜線狀細條，叫做質譜線．每一條譜線對應于一定質量．從譜線位置能夠知道圓周半徑，假如再已知帶電粒子電荷量，就能夠算出它質量，這種儀器叫做質譜儀．10/47圖3－5－411/4712/47即時應用

(即時突破，小試牛刀)1.如圖3－5－5是質譜儀工作原理示意圖．帶電粒子被加速電場加速后，進入速度選擇器，速度選擇器內相互正交勻強磁場和勻強電場強度分別為B和E.平板S上有可讓粒子經過狹縫P和統(tǒng)計粒子位置膠片A1A2.平板S下方有強度為B0勻強磁場．以下表述正確是(

)圖3－5－513/47A．質譜儀是分析同位素主要工具B．速度選擇器中磁場方向垂直紙面向外C．能經過狹縫P帶電粒子速率等于E/BD．粒子打在膠片上位置越來越靠近狹縫P，粒子荷質比越小14/4715/47二、對盤旋加速器正確認識1．盤旋加速器原理盤旋加速器工作原理如圖3－5－6所表示．放在A0處粒子源發(fā)出一個帶正電粒子，它以某一速率v0垂直進入勻強磁場中，在磁場中做勻速圓周運動．經過半個周期，當它沿著半圓A0A1時，我們在A1A1′處設置一個向上電場，使這個帶電粒子在A1A1′處受到一次電場加速，速率由v0增加到v1，然后粒子以速率v1在磁場中做勻速圓周運動．圖3－5－616/47我們知道，粒子軌道半徑跟它速率成正比，因而粒子將沿著增大了圓周運動．又經過半個周期，當它沿著半圓弧A1′A2′抵達A2′時，我們在A2′A2處設置一個向下電場，使粒子又一次受到電場加速，速率增加到v2.如此繼續(xù)下去，每當粒子運動到A1A1′、A3A3′等處時都使它受到一個向上電場加速，每當粒子運動到A2′A2、A4′A4等處時都使它受到一個向下電場加速，那么，粒子將沿著圖示螺旋線盤旋下去，速率將一步一步地增大．17/4718/4719/47尤其提醒：由上式能夠看出，要使粒子射出動能Ekm增大，就要使磁場磁感應強度B以及D形盒半徑R增大，而與加速電壓U大小無關(U≠0)．20/47即時應用

(即時突破，小試牛刀)2.盤旋加速器是加速帶電粒子裝置，其關鍵部分是分別與高頻交流電極相連接兩個D形金屬盒，兩盒間狹縫中形成周期性改變電場，使粒子在經過狹縫時都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底勻強磁場中，如圖3－5－7所表示，要增大帶電粒子射出時動能，則以下說法中正確是(

)圖3－5－721/47A．增大勻強電場間加速電壓B．增大磁場磁感應強度C．減小狹縫間距離D．增大D形金屬盒半徑22/47三、帶電粒子在復合場中運動分析方法和思緒1．搞清復合場組成．普通有磁場、電場復合，磁場、重力場復合，磁場、電場、重力場三者復合．2．正確進行受力分析，除重力、彈力、摩擦力外要尤其注意靜電力和磁場力分析．3．確定帶電粒子運動狀態(tài)，注意運動情況和受力情況結合．4．對于粒子連續(xù)經過幾個不一樣情況場問題，要分階段進行處理．23/475．畫出粒子運動軌跡，靈活選擇不一樣運動規(guī)律．(1)當帶電粒子在復合場中做勻速直線運動時，依據(jù)受力平衡列方程求解．(2)當帶電粒子在復合場中做勻速圓周運動時，應用牛頓定律結合圓周運動規(guī)律求解．(3)當帶電粒子做復雜曲線運動時，普通用動能定理或能量守恒定律求解．(4)對于臨界問題，注意挖掘隱含條件．24/47尤其提醒：(1)電子、質子、α粒子等普通不計重力，帶電小球、塵埃、液滴等帶電顆粒普通要考慮重力作用．(2)注意重力、電場力做功與路徑無關，洛倫茲力一直和運動方向垂直、永不做功特點．25/47即時應用

(即時突破，小試牛刀)3．(杭州高二檢測)一個帶電粒子以初速度v0垂直于電場方向向右射入勻強電場區(qū)域，穿出電場后接著又進入勻強磁場區(qū)域．設電場和磁場區(qū)域有明確分界限，且分界限與電場強度方向平行，如圖3－5－8中虛線表示．在圖所表示幾個情況中，可能出現(xiàn)是(

)圖3－5－826/47解析：選AD.A、C選項中粒子在電場中向下偏轉，所以粒子帶正電，再進入磁場后，A圖中粒子應逆時針轉，正確．C圖中粒子應順時針轉，錯誤．同理能夠判斷B錯，D對．27/47課堂互動講練類型一帶電粒子在有界磁場中運動例1

如圖3－5－9所表示，一束電子(電荷量為e)以速度v垂直射入磁感應強度為B、寬度為d勻強磁場中，穿透磁場時速度方向與原來入射方向夾角是30°，則電子質量是________，穿透磁場時間是________．圖3－5－928/47【思緒點撥】

因為洛倫茲力總是垂直于速度方向，若已知帶電粒子任意兩個速度方向，就能夠經過作出兩速度垂線，找出兩垂線交點即為帶電粒子做圓周運動圓心．29/4730/47變式訓練1

如圖3－5－10所表示，在圓形區(qū)域里，有勻強磁場，方向如圖所表示，有一束速率各不相同質子自A點沿半徑方向射入磁場，這些質子在磁場中(

)A．運動時間越長，其軌跡所對應圓心角越大B．運動時間越長，其軌跡越長C．運動時間越短，射出磁場時，速率越小D．運動時間越短，射出磁場時，速度方向偏轉越小圖3－5－1031/4732/4733/47類型二對質譜儀了解和應用例2

如圖3－5－11所表示是測量帶電粒子質量儀器工作原理示意圖．設法將某有機化合物氣態(tài)分子導入圖中所表示容器A中，使它受到電子束轟擊，失去一個電子變成正一價分子離子．分子離子從狹縫S1以很小速度進入電壓為U加速電場區(qū)(初速不計)，加速后，再經過狹縫S2、S3射入磁感應強度為B勻強磁場，方向垂直于磁場區(qū)界面PQ.最終，分子離子打到感光片上，形成垂直于紙面而且平行于狹縫S3細線．若測得細線到狹縫S3距離為d，導出分子離子質量m表示式．34/47圖3－5－11【思緒點撥】

電場中粒子做加速運動，速度選擇器則能夠使經過S3粒子含有相同速度，磁場中帶電粒子做圓周運動，經半個周期打到感光片上．35/4736/47【規(guī)律總結】

熟練掌握帶電粒子在電場中加速和磁場中做勻速圓周運動公式，才能很好地處理題目．37/47變式訓練2

如圖3－5－12為質譜儀示意圖．速度選擇部分勻強電場場強E＝1.2×105V/m，勻強磁場磁感應強度為B1＝0.6T．偏轉分離器磁感應強度為B2＝0.8T．求：(1)能經過速度選擇器粒子速度有多大？(2)質子和氘核進入偏轉分離器后打在底片上條紋之間距離d為多少？圖3－5－1238/47答案：(1)2×105m/s

(2)5.2×10－3m39/47類型三盤旋加速器應用例3

盤旋加速器是用來加速帶電粒子使它取得很大動能儀器，其關鍵部分是兩個D形金屬盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相連，方便在盒間窄縫中形成勻強電場，使粒子每次穿過窄縫都得到加速，兩盒放在勻強磁場中，磁場方向垂直于盒底面，粒子源置于盒圓心附近，若粒子源射出粒子電荷量為q，質量為m，粒子最大盤旋半徑為Rm，其運動軌跡如圖3－5－13所表示，問：40/47(1)盒中有沒有電場？(2)粒子在盒內做何種運動？(3)所加交流電頻率應是多大，粒子角速度為多大？(4)粒子離開加速器時速度是多大，最大動能為多少？(5)設兩D形盒間電場電勢差為U，求加速到上述能量所需時間．(不計粒子在電場中運動時間)圖3－5－1341/4742/4743/4744/47【規(guī)律總結】

求解此題應注意以下兩點：(1)交流電周期與粒子做圓周運動周期相同盤旋加速