魯科版高中物理選修31課件63洛倫茲力的應(yīng)用共16張PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 魯科版高中物理選修魯科版高中物理選修31課件課件63洛倫茲力洛倫茲力 的應(yīng)用共的應(yīng)用共16張張 2 2直線(xiàn)加速器，多級(jí)加速直線(xiàn)加速器，多級(jí)加速 如圖所示是多級(jí)加速裝置的原理圖：如圖所示是多級(jí)加速裝置的原理圖： 一、加速器一、加速器 第1頁(yè)/共16頁(yè) )( 321nk UUUUqE 3 3直線(xiàn)加速器占有的空間范圍大，在有限的空直線(xiàn)加速器占有的空間范圍大，在有限的空 間范圍內(nèi)制造直線(xiàn)加速器受到一定的限制間范圍內(nèi)制造直線(xiàn)加速器受到一定的限制 第2頁(yè)/共16頁(yè) （二）、回旋加速器（二）、回旋加速器 V0 V1 V2 V3 V4 V5 1、帶電粒子在兩、帶電粒子在兩D形盒中回旋形盒中回旋 周周

2、 期等于兩盒狹縫之間高頻電場(chǎng)期等于兩盒狹縫之間高頻電場(chǎng) 的變化周期，粒子每經(jīng)過(guò)一個(gè)的變化周期，粒子每經(jīng)過(guò)一個(gè) 周期，被電場(chǎng)加速二次周期，被電場(chǎng)加速二次 2、將帶電粒子在狹縫之間的運(yùn)動(dòng)首尾連接、將帶電粒子在狹縫之間的運(yùn)動(dòng)首尾連接 起起 來(lái)是一個(gè)初速度為零的勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)來(lái)是一個(gè)初速度為零的勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng) 3、帶電粒子每經(jīng)電場(chǎng)加速一次，回旋半徑就增大一次，、帶電粒子每經(jīng)電場(chǎng)加速一次，回旋半徑就增大一次， 每次增加的動(dòng)能為每次增加的動(dòng)能為 所有各次半徑之比為：所有各次半徑之比為：.321 4、對(duì)于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半徑是相同的。、對(duì)于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半徑是相同的。

3、5、回旋加速器的出現(xiàn)，使人類(lèi)在獲得具有較高能量的粒子的方面前進(jìn)了一、回旋加速器的出現(xiàn)，使人類(lèi)在獲得具有較高能量的粒子的方面前進(jìn)了一 大步，了解其它類(lèi)型的加速器：大步，了解其它類(lèi)型的加速器： 直線(xiàn)加速器、同步加速器、電子感應(yīng)加速器、串列加速器、電子對(duì)撞機(jī)等直線(xiàn)加速器、同步加速器、電子感應(yīng)加速器、串列加速器、電子對(duì)撞機(jī)等 qU K E m RqB mvE qB mv 22 1 R 222 2 由最大半徑得： qU E n 2 回旋周數(shù)：nTt 所需時(shí)間： 第3頁(yè)/共16頁(yè) 第4頁(yè)/共16頁(yè) 二二、質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀 1、質(zhì)譜儀是測(cè)量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具、質(zhì)譜儀是測(cè)量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素

4、的重要工具 2、基本原理、基本原理 將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒 子經(jīng)同一電場(chǎng)加速再垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)子經(jīng)同一電場(chǎng)加速再垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng) 磁場(chǎng)，由于粒子動(dòng)量不同，引起軌跡半磁場(chǎng)，由于粒子動(dòng)量不同，引起軌跡半 徑不同而分開(kāi)，進(jìn)而分析某元素中所含徑不同而分開(kāi)，進(jìn)而分析某元素中所含 同位素的種類(lèi)同位素的種類(lèi) 3、推導(dǎo)推導(dǎo) 2 1 2 qUmv加速： 1 2 mv Rd qB 偏轉(zhuǎn)： 112 2 mU Rd Bq 第5頁(yè)/共16頁(yè) 例例1：關(guān)于回旋加速器中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用的敘述，：關(guān)于回旋加速器中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用的敘述， 正確的是正確的是( ) A、電場(chǎng)和磁場(chǎng)都對(duì)帶電粒子

5、起加速作用、電場(chǎng)和磁場(chǎng)都對(duì)帶電粒子起加速作用 B、電場(chǎng)和磁場(chǎng)是交替地對(duì)帶電粒子做功的、電場(chǎng)和磁場(chǎng)是交替地對(duì)帶電粒子做功的 C、只有電場(chǎng)能對(duì)帶電粒子起加速作用、只有電場(chǎng)能對(duì)帶電粒子起加速作用 D、磁場(chǎng)的作用是使帶電粒子在、磁場(chǎng)的作用是使帶電粒子在D形盒中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)形盒中做勻速圓周運(yùn)動(dòng) CD 第6頁(yè)/共16頁(yè) U q S S1 x P B 例例2：質(zhì)譜儀是一種測(cè)定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素：質(zhì)譜儀是一種測(cè)定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素 的重要工具，它的構(gòu)造原理如圖，離子源的重要工具，它的構(gòu)造原理如圖，離子源S產(chǎn)生的各種不產(chǎn)生的各種不 同正離子束同正離子束(速度可看作為零速度可看作為零)，經(jīng)加速電場(chǎng)加

6、速后垂直進(jìn)，經(jīng)加速電場(chǎng)加速后垂直進(jìn) 入有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)，到達(dá)記錄它的照相底片入有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)，到達(dá)記錄它的照相底片P上，設(shè)離子在上，設(shè)離子在P 上的位置到入口處上的位置到入口處S1的距離為的距離為x，可以判斷，可以判斷( ) A、若離子束是同位素，則、若離子束是同位素，則x越大，離子質(zhì)量越大越大，離子質(zhì)量越大 B、若離子束是同位素，則、若離子束是同位素，則x越大，離子質(zhì)量越小越大，離子質(zhì)量越小 C、只要、只要x相同，則離子質(zhì)量一定相同相同，則離子質(zhì)量一定相同 D、只要、只要x相同，則離子的荷質(zhì)比一定相同相同，則離子的荷質(zhì)比一定相同 AD 第7頁(yè)/共16頁(yè) 例例3：串列加速器是用來(lái)產(chǎn)生高能離子的裝置。

7、：串列加速器是用來(lái)產(chǎn)生高能離子的裝置。 圖中虛線(xiàn)框內(nèi)為其主體的原理示意圖，其中加速管圖中虛線(xiàn)框內(nèi)為其主體的原理示意圖，其中加速管 的中部的中部b處有很高的正電勢(shì)處有很高的正電勢(shì)U，a、c兩端均有電極接兩端均有電極接 地（電勢(shì)為零）?，F(xiàn)將速度很低的負(fù)一價(jià)碳離子從地（電勢(shì)為零）?，F(xiàn)將速度很低的負(fù)一價(jià)碳離子從a 端輸入，當(dāng)離子到達(dá)端輸入，當(dāng)離子到達(dá)處時(shí)，可被設(shè)在處時(shí)，可被設(shè)在處的特殊處的特殊 裝置將其電子剝離，成為裝置將其電子剝離，成為n價(jià)正離子，而不改變其速價(jià)正離子，而不改變其速 度大小。這些正度大小。這些正n價(jià)碳離子從價(jià)碳離子從c端飛出后進(jìn)入一與其端飛出后進(jìn)入一與其 速度方向垂直的、磁感應(yīng)強(qiáng)度為

8、速度方向垂直的、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在 磁場(chǎng)中做半徑為磁場(chǎng)中做半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)。已知碳離子的質(zhì)量為的圓周運(yùn)動(dòng)。已知碳離子的質(zhì)量為 m=2.010-26kg，U=7.5105V，B=0.50T，n=2，基，基 元電荷元電荷e=1.610-19C，求，求R。 a b c 加速管 加速管 ab C 加速管 加速管 第8頁(yè)/共16頁(yè) 解：設(shè)碳離子到達(dá)解：設(shè)碳離子到達(dá)b處時(shí)的速度為處時(shí)的速度為v1， ， 從 從c端射出時(shí)端射出時(shí) 的速度為的速度為v2，由能量關(guān)系得：，由能量關(guān)系得： mv12/2=eU， mv22/2= mv12/2+neU， 進(jìn)入磁場(chǎng)后，碳離子做圓周運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入

9、磁場(chǎng)后，碳離子做圓周運(yùn)動(dòng)， R=mv2/Bne，得，得 a b c 加速管 加速管 ab C 加速管 加速管 211 0.75 mU n Rm Bne 第9頁(yè)/共16頁(yè) qEqvB E v B 在電、磁場(chǎng)中，若不計(jì)重力，則：在電、磁場(chǎng)中，若不計(jì)重力，則： 速度選擇器只選擇速度，與電荷的正負(fù)無(wú)關(guān)；速度選擇器只選擇速度，與電荷的正負(fù)無(wú)關(guān)； 注意電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向搭配。注意電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向搭配。 第10頁(yè)/共16頁(yè) 速度選擇器：速度選擇器： （1）任何一個(gè)正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)組成速度選擇器。）任何一個(gè)正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)組成速度選擇器。 （2）帶電粒子必須以唯一確定的速度）帶電粒子必須以唯一確

10、定的速度 （包括大小、方向）才能勻速（或者說(shuō)（包括大小、方向）才能勻速（或者說(shuō) 沿直線(xiàn)）通過(guò)速度選擇器。否則將發(fā)生沿直線(xiàn)）通過(guò)速度選擇器。否則將發(fā)生 偏轉(zhuǎn)。即有確定的入口和出口。偏轉(zhuǎn)。即有確定的入口和出口。 （3）這個(gè)結(jié)論與粒子帶何種電荷、電荷多少都無(wú)關(guān)。）這個(gè)結(jié)論與粒子帶何種電荷、電荷多少都無(wú)關(guān)。 v 若速度小于這一速度，電場(chǎng)力將大于洛倫茲力，帶電粒子向若速度小于這一速度，電場(chǎng)力將大于洛倫茲力，帶電粒子向 電場(chǎng)力方向偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)力做正功，動(dòng)能將增大，洛倫茲力也電場(chǎng)力方向偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)力做正功，動(dòng)能將增大，洛倫茲力也 將增大，粒子的軌跡既不是拋物線(xiàn)，也不是圓，而是一條復(fù)將增大，粒子的軌跡既不是拋物線(xiàn)

11、，也不是圓，而是一條復(fù) 雜曲線(xiàn)；若大于這一速度，將向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)力雜曲線(xiàn)；若大于這一速度，將向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)力 將做負(fù)功，動(dòng)能將減小，洛倫茲力也將減小，軌跡是一條復(fù)將做負(fù)功，動(dòng)能將減小，洛倫茲力也將減小，軌跡是一條復(fù) 雜曲線(xiàn)。雜曲線(xiàn)。 第11頁(yè)/共16頁(yè) 練習(xí)練習(xí): : 在兩平行金屬板間有正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)在兩平行金屬板間有正交的勻強(qiáng)電場(chǎng) 和勻強(qiáng)磁場(chǎng)，一個(gè)帶電粒子垂直于電場(chǎng)和磁和勻強(qiáng)磁場(chǎng)，一個(gè)帶電粒子垂直于電場(chǎng)和磁 場(chǎng)方向射入場(chǎng)中，射出時(shí)粒子的動(dòng)能減少了場(chǎng)方向射入場(chǎng)中，射出時(shí)粒子的動(dòng)能減少了 ，為了使粒子射出時(shí)動(dòng)能增加，在不計(jì)重力，為了使粒子射出時(shí)動(dòng)能增加，在不計(jì)重力 的情況下，

12、可采取的辦法是：的情況下，可采取的辦法是： A.A.增大粒子射入時(shí)的速度增大粒子射入時(shí)的速度 B.B.減小磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度減小磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 C.C.增大電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度增大電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度 D.D.改變粒子的帶電性質(zhì)改變粒子的帶電性質(zhì) BC 第12頁(yè)/共16頁(yè) 例：圖為一種獲得高能粒子的裝置。環(huán)行區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面向外的、例：圖為一種獲得高能粒子的裝置。環(huán)行區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面向外的、 大小可調(diào)節(jié)的均勻磁場(chǎng)。質(zhì)量為大小可調(diào)節(jié)的均勻磁場(chǎng)。質(zhì)量為m，電量為，電量為+q的粒子在環(huán)中做半徑為的粒子在環(huán)中做半徑為R的圓的圓 周運(yùn)動(dòng)。周運(yùn)動(dòng)。A、B為兩塊中心開(kāi)有小孔的極板。原來(lái)電勢(shì)都為零，每當(dāng)粒子飛經(jīng)為兩塊

13、中心開(kāi)有小孔的極板。原來(lái)電勢(shì)都為零，每當(dāng)粒子飛經(jīng) A板時(shí)，板時(shí)，A板電勢(shì)升高為板電勢(shì)升高為+U，B板電勢(shì)仍保持為零，粒子在兩板間的電場(chǎng)中得板電勢(shì)仍保持為零，粒子在兩板間的電場(chǎng)中得 到加速。每當(dāng)粒子離開(kāi)到加速。每當(dāng)粒子離開(kāi)B板時(shí)，板時(shí)，A板電勢(shì)又降為零。粒子在電場(chǎng)中一次次加速板電勢(shì)又降為零。粒子在電場(chǎng)中一次次加速 下動(dòng)能不斷增大，而半徑不變。下動(dòng)能不斷增大，而半徑不變。 （1）t=0時(shí)粒子靜止在時(shí)粒子靜止在A板小孔處，在電場(chǎng)力作用下加速，并繞行第一圈。板小孔處，在電場(chǎng)力作用下加速，并繞行第一圈。 求求 粒子繞行粒子繞行n圈回到圈回到A板時(shí)獲得的總動(dòng)能板時(shí)獲得的總動(dòng)能EK總 總 （2）為使粒子始終

14、保持在半徑為）為使粒子始終保持在半徑為R的圓軌道上運(yùn)動(dòng)，求粒子繞行第的圓軌道上運(yùn)動(dòng)，求粒子繞行第n圈時(shí)的圈時(shí)的 磁磁 感應(yīng)強(qiáng)度感應(yīng)強(qiáng)度Bn （3）求粒子繞行）求粒子繞行n圈所需的總時(shí)間圈所需的總時(shí)間tn（設(shè)極板間距遠(yuǎn)小于（設(shè)極板間距遠(yuǎn)小于R） A A +U B 0 B O +U K EnqU 總 12 n nmU B Rq 111 2(1) 223 n m tR qUn 第13頁(yè)/共16頁(yè) 例：電視機(jī)的顯像管中，電子束的偏轉(zhuǎn)是用磁偏轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。電例：電視機(jī)的顯像管中，電子束的偏轉(zhuǎn)是用磁偏轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。電 子束經(jīng)過(guò)電壓為子束經(jīng)過(guò)電壓為U的加速電場(chǎng)后，進(jìn)入一圓形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)，如圖所示的加速電場(chǎng)后，

15、進(jìn)入一圓形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)，如圖所示 。磁場(chǎng)方向垂直于圓面。磁場(chǎng)區(qū)的中心為。磁場(chǎng)方向垂直于圓面。磁場(chǎng)區(qū)的中心為O，半徑為，半徑為r。當(dāng)不加磁場(chǎng)時(shí)。當(dāng)不加磁場(chǎng)時(shí) ，電子束將通過(guò)，電子束將通過(guò)O點(diǎn)而打到屏幕的中心點(diǎn)而打到屏幕的中心M點(diǎn)。為了讓電子束射到屏幕點(diǎn)。為了讓電子束射到屏幕 邊緣邊緣P，需要加磁場(chǎng)，使電子束偏轉(zhuǎn)一已知角度，需要加磁場(chǎng)，使電子束偏轉(zhuǎn)一已知角度，此時(shí)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)，此時(shí)磁場(chǎng)的磁感應(yīng) 強(qiáng)度強(qiáng)度B應(yīng)為多少？應(yīng)為多少？ 2 2 1 mveU R v mevB 2 R r 2 tan 2 21 tg e mU r B 第14頁(yè)/共16頁(yè) 例：例： 如圖，兩個(gè)共軸的圓筒形金屬電極，外電極接地，其上均勻分如圖，兩個(gè)共軸的圓筒形金屬電極，外電極接地，其上均勻分 布著平行于軸線(xiàn)的四條狹縫、和，外筒的外半徑為布著平行于軸線(xiàn)的四條狹縫、和，外筒的外半徑為 ，在圓 ，在圓 筒之外的足夠大區(qū)域中有平行于軸線(xiàn)方向的均勻磁場(chǎng)，磁感強(qiáng)度的大小筒之外的足夠大區(qū)域中有平行于軸線(xiàn)方向的均勻磁場(chǎng)，磁感強(qiáng)度的大小 為。