(課堂設(shè)計(jì))2014-2015高中物理 5.6 洛倫茲力與現(xiàn)代科技課件 滬科版選修3-1

1、第第6課時(shí)課時(shí) 洛倫茲力與現(xiàn)代科技洛倫茲力與現(xiàn)代科技 學(xué)學(xué) 習(xí)習(xí) 目目 標(biāo)標(biāo)思思 維維 啟啟 迪迪 1.知道回旋加速器的知道回旋加速器的 構(gòu)造和工作原理構(gòu)造和工作原理 2.知道質(zhì)譜儀的構(gòu)造知道質(zhì)譜儀的構(gòu)造 和工作原理和工作原理. 為了研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，科學(xué)為了研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，科學(xué) 家必須用各種各樣的加速器產(chǎn)生出速家必須用各種各樣的加速器產(chǎn)生出速 度很大的高能粒子歐洲核子研究中度很大的高能粒子歐洲核子研究中 心的粒子加速器周長(zhǎng)達(dá)心的粒子加速器周長(zhǎng)達(dá)27 km(如圖如圖5 61中的大圓中的大圓)，為什么加速器需要那，為什么加速器需要那 么大的周長(zhǎng)呢？么大的周長(zhǎng)呢？ 圖圖5-6-1 一、回旋加

2、速器一、回旋加速器 1結(jié)構(gòu)：回旋加速器主要由圓柱形磁極、結(jié)構(gòu)：回旋加速器主要由圓柱形磁極、_ 金屬盒、金屬盒、 _電源、粒子源和粒子引出裝置等組電源、粒子源和粒子引出裝置等組 成成 知識(shí)梳理知識(shí)梳理 兩個(gè)兩個(gè)D形形 高頻交變高頻交變 二、質(zhì)譜儀二、質(zhì)譜儀 1質(zhì)譜儀的作用質(zhì)譜儀的作用 利用磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，利用磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的偏轉(zhuǎn)， 由帶電粒子的電荷量、軌道半徑確由帶電粒子的電荷量、軌道半徑確 定其質(zhì)量的儀器定其質(zhì)量的儀器 2構(gòu)造構(gòu)造 如圖如圖562所示，主要由以所示，主要由以 下幾部分組成：下幾部分組成： 帶電粒子注入器帶電粒子注入器 加速電場(chǎng)加速電場(chǎng)(U) 圖圖5-6-2 速度選擇器速度

3、選擇器(B1、E) 偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(B2) 照相底片照相底片 3速度選擇器原理速度選擇器原理 (1)粒子受力特點(diǎn)：同時(shí)受方向相反的電場(chǎng)力和粒子受力特點(diǎn)：同時(shí)受方向相反的電場(chǎng)力和 磁場(chǎng)力作用磁場(chǎng)力作用 注意注意：速度選擇器兩極板間距離極小，粒子稍：速度選擇器兩極板間距離極小，粒子稍 有偏轉(zhuǎn)，即打到極板上有偏轉(zhuǎn)，即打到極板上 速度選擇器對(duì)正、負(fù)電荷均適用速度選擇器對(duì)正、負(fù)電荷均適用 速度選擇器中的速度選擇器中的E、B1的方向具有確定的關(guān)系，的方向具有確定的關(guān)系， 僅改變其中一個(gè)方向，就不能對(duì)速度做出選擇僅改變其中一個(gè)方向，就不能對(duì)速度做出選擇 4質(zhì)譜儀的工作原理質(zhì)譜儀的工作原理 如圖如圖562所

4、示，設(shè)進(jìn)入加速電場(chǎng)的帶電粒子所示，設(shè)進(jìn)入加速電場(chǎng)的帶電粒子 帶電荷量為帶電荷量為q、質(zhì)量為、質(zhì)量為m，電場(chǎng)兩板間電壓，電場(chǎng)兩板間電壓U、粒、粒 子出電場(chǎng)后垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為子出電場(chǎng)后垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 1如圖如圖563所示，水平導(dǎo)線(xiàn)中有所示，水平導(dǎo)線(xiàn)中有 電流電流I通過(guò)，導(dǎo)線(xiàn)正下方的電子初速度的方通過(guò)，導(dǎo)線(xiàn)正下方的電子初速度的方 向與電流向與電流I的方向相同，則電子將的方向相同，則電子將 () A沿路徑沿路徑a運(yùn)動(dòng)，軌跡是圓運(yùn)動(dòng)，軌跡是圓 B沿路徑沿路徑a運(yùn)動(dòng)，軌跡半徑越來(lái)越大運(yùn)動(dòng)，軌跡半徑越來(lái)越大 C沿路徑沿路徑a運(yùn)動(dòng)，軌跡半徑越來(lái)越小運(yùn)動(dòng)，軌跡半徑越來(lái)越小 D沿

5、路徑沿路徑b運(yùn)動(dòng)，軌跡半徑越來(lái)越小運(yùn)動(dòng)，軌跡半徑越來(lái)越小 答案答案：B 基礎(chǔ)自測(cè)基礎(chǔ)自測(cè) 圖圖5-6-3 2電子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)下列說(shuō)電子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)下列說(shuō) 法正確的是法正確的是 () A速率越大，周期越大速率越大，周期越大 B速率越小，周期越大速率越小，周期越大 C速度方向與磁場(chǎng)方向平行速度方向與磁場(chǎng)方向平行 D速度方向與磁場(chǎng)方向垂直速度方向與磁場(chǎng)方向垂直 答案答案：D 31930年勞倫斯制成了世界上第年勞倫斯制成了世界上第 一臺(tái)回旋加速器，其原理如圖一臺(tái)回旋加速器，其原理如圖564 所示，這臺(tái)加速器由兩個(gè)銅質(zhì)所示，這臺(tái)加速器由兩個(gè)銅質(zhì)D形盒形盒 D1、D2構(gòu)成，其間

6、留有空隙，下列說(shuō)構(gòu)成，其間留有空隙，下列說(shuō) 法正確的是法正確的是 () A離子由加速器的中心附近進(jìn)離子由加速器的中心附近進(jìn) 入加速器入加速器 B離子由加速器的邊緣進(jìn)入加離子由加速器的邊緣進(jìn)入加 速器速器 C離子從磁場(chǎng)中獲得能量離子從磁場(chǎng)中獲得能量 D離子從電場(chǎng)中獲得能量離子從電場(chǎng)中獲得能量 答案答案：AD 圖圖5-6-4 4經(jīng)過(guò)回旋加速器加速后，帶電粒子獲得的動(dòng)經(jīng)過(guò)回旋加速器加速后，帶電粒子獲得的動(dòng) 能能 () A與與D形盒的半徑無(wú)關(guān)形盒的半徑無(wú)關(guān) B與高頻電源的電壓無(wú)關(guān)與高頻電源的電壓無(wú)關(guān) C與兩與兩D形盒間的縫隙寬度無(wú)關(guān)形盒間的縫隙寬度無(wú)關(guān) D與勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)與勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)

7、度無(wú)關(guān) 答案答案：BC 5如圖如圖565是質(zhì)譜儀的工作原是質(zhì)譜儀的工作原 理示意圖帶電粒子被加速電場(chǎng)加速后，理示意圖帶電粒子被加速電場(chǎng)加速后， 進(jìn)入速度選擇器速度選擇器內(nèi)相互正進(jìn)入速度選擇器速度選擇器內(nèi)相互正 交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)的強(qiáng)度分別為交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)的強(qiáng)度分別為 B和和E.平板平板S上有可讓粒子通過(guò)的狹縫上有可讓粒子通過(guò)的狹縫P 和記錄粒子位置的膠片和記錄粒子位置的膠片A1A2.平板平板S下方下方 有強(qiáng)度為有強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場(chǎng)下列表述正確的勻強(qiáng)磁場(chǎng)下列表述正確 的是的是 () 圖圖5-6-5 A質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具 B速度選擇器中的磁場(chǎng)方向

8、垂直紙面向外速度選擇器中的磁場(chǎng)方向垂直紙面向外 C能通過(guò)狹縫能通過(guò)狹縫P的帶電粒子的速率等于的帶電粒子的速率等于E/B D粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的，粒子的 荷質(zhì)比越小荷質(zhì)比越小 答案答案：ABC 工作原理工作原理 利用電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的加速利用電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的加速 作用和磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的偏轉(zhuǎn)作作用和磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的偏轉(zhuǎn)作 用來(lái)獲得高能粒子，這些過(guò)程在用來(lái)獲得高能粒子，這些過(guò)程在 回旋加速器的兩個(gè)回旋加速器的兩個(gè)D形盒和其間形盒和其間 的窄縫內(nèi)完成，如圖的窄縫內(nèi)完成，如圖566所所 示示 回旋加速器回旋加速器 圖圖5-6-6 (2)電場(chǎng)的作用：回旋加速

9、器的兩個(gè)電場(chǎng)的作用：回旋加速器的兩個(gè)D形盒之間形盒之間 的窄縫區(qū)域存在周期性變化的勻強(qiáng)電場(chǎng)，方向垂直的窄縫區(qū)域存在周期性變化的勻強(qiáng)電場(chǎng)，方向垂直 于兩于兩D形盒正對(duì)的截面，帶電粒子經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)被加形盒正對(duì)的截面，帶電粒子經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)被加 速速 (3)交變電壓：為了保證帶電粒子每次經(jīng)過(guò)窄縫交變電壓：為了保證帶電粒子每次經(jīng)過(guò)窄縫 時(shí)都被加速，使之能量不斷提高，須在窄縫兩側(cè)加時(shí)都被加速，使之能量不斷提高，須在窄縫兩側(cè)加 上跟帶電粒子在上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變電壓形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變電壓 帶電粒子的最終能量帶電粒子的最終能量 可見(jiàn)，要提高加速粒子的最終能量，應(yīng)盡可能可見(jiàn)，要提高加速

10、粒子的最終能量，應(yīng)盡可能 增大磁感應(yīng)強(qiáng)度增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B和和D形盒的半徑形盒的半徑R. 【例例1】 有一回旋加速器，它的高頻電源的頻有一回旋加速器，它的高頻電源的頻 率為率為1.2107 Hz，D形盒的半徑為形盒的半徑為0.532 m，求加速，求加速 氘核時(shí)所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度為多大？氘核所能達(dá)到的氘核時(shí)所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度為多大？氘核所能達(dá)到的 最大動(dòng)能為多少？最大動(dòng)能為多少？(氘核的質(zhì)量為氘核的質(zhì)量為3.310 27 kg，氘 ，氘 核的電荷量為核的電荷量為1.610 19 C) 答案答案：1.55 T2.6410 12 J 【題后反思題后反思】 回旋加速器中粒子在磁場(chǎng)中做回旋加速器中粒子在磁場(chǎng)中

11、做 圓周運(yùn)動(dòng)的周期等于圓周運(yùn)動(dòng)的周期等于D形盒所加交變電壓的周期形盒所加交變電壓的周期 用一臺(tái)回旋加速器來(lái)加速質(zhì)子時(shí)，為使質(zhì)用一臺(tái)回旋加速器來(lái)加速質(zhì)子時(shí)，為使質(zhì) 子獲得的動(dòng)能增加為原來(lái)的子獲得的動(dòng)能增加為原來(lái)的4倍，則可以采取的方法倍，則可以采取的方法 是是 () A將回旋加速器的磁感應(yīng)強(qiáng)度將回旋加速器的磁感應(yīng)強(qiáng)度B增大到原來(lái)的增大到原來(lái)的 2倍倍 B將磁感應(yīng)強(qiáng)度將磁感應(yīng)強(qiáng)度B提高到原來(lái)的提高到原來(lái)的4倍倍 C將將D形盒的直徑增大到原來(lái)的形盒的直徑增大到原來(lái)的4倍倍 D將將D形盒的直徑和磁感應(yīng)強(qiáng)度形盒的直徑和磁感應(yīng)強(qiáng)度B各增大到原各增大到原 來(lái)的來(lái)的 2倍倍 解析解析：本題的關(guān)鍵是知道回旋加速

12、器使粒子獲：本題的關(guān)鍵是知道回旋加速器使粒子獲 得的最大動(dòng)能與哪些客觀因素得的最大動(dòng)能與哪些客觀因素(回旋加速器構(gòu)造回旋加速器構(gòu)造)有怎有怎 樣的關(guān)系樣的關(guān)系 答案答案：A (1)質(zhì)譜儀是用來(lái)測(cè)定比荷，質(zhì)譜儀是用來(lái)測(cè)定比荷， 以鑒定同位素的裝置該裝置以鑒定同位素的裝置該裝置 包含三部分：其一是粒子加速包含三部分：其一是粒子加速 器，其二是速度選擇器，其三器，其二是速度選擇器，其三 是偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)如圖是偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)如圖567 所所 示示 質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀 圖圖5-6-7 【例例2】 如圖如圖568所示是所示是 一種質(zhì)譜儀的示意圖，從離子源一種質(zhì)譜儀的示意圖，從離子源S 產(chǎn)生的正離子，經(jīng)過(guò)產(chǎn)生的正離子，經(jīng)過(guò)S

13、1和和S2之間的之間的 加速電場(chǎng)，進(jìn)入速度選擇器，加速電場(chǎng)，進(jìn)入速度選擇器，P1和和 P2間的電場(chǎng)強(qiáng)度為間的電場(chǎng)強(qiáng)度為E，磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度 為為B1，離子由，離子由S3射出后進(jìn)入磁感應(yīng)射出后進(jìn)入磁感應(yīng) 強(qiáng)度為強(qiáng)度為B2的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，由于各的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，由于各 種離子軌道半徑種離子軌道半徑R不同，而分別射不同，而分別射 到底片上不同的位置，形成譜線(xiàn)到底片上不同的位置，形成譜線(xiàn) 圖圖5-6-8 (2)若已知速度選擇器中的電場(chǎng)強(qiáng)度若已知速度選擇器中的電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)和磁場(chǎng)強(qiáng) 度度B1，R和和B2也知道，則離子的比荷為多少？也知道，則離子的比荷為多少？ (3)要使氫的同位素氘和氚的正離子經(jīng)

14、加速電場(chǎng)要使氫的同位素氘和氚的正離子經(jīng)加速電場(chǎng) 和速度選擇器以相同的速度進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為和速度選擇器以相同的速度進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2的的 勻強(qiáng)磁場(chǎng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)(設(shè)進(jìn)入加速電場(chǎng)時(shí)速度為零設(shè)進(jìn)入加速電場(chǎng)時(shí)速度為零) 若保持速度選擇器的若保持速度選擇器的E和和B1不變，則加速電不變，則加速電 場(chǎng)場(chǎng)S1、S2間的電壓比應(yīng)為多少？間的電壓比應(yīng)為多少？ 它們譜線(xiàn)位置到狹縫它們譜線(xiàn)位置到狹縫S3間距離之比為多少？間距離之比為多少？ 【題后反思題后反思】 質(zhì)譜儀首先選取速度相同的粒子質(zhì)譜儀首先選取速度相同的粒子 由于不同粒子有不同的比荷，因此打在底片上的不同由于不同粒子有不同的比荷，因此打在底片上的不同 位置，所以質(zhì)譜儀可以分開(kāi)同位素位置，所以質(zhì)譜儀可以分開(kāi)同位素 質(zhì)譜儀原理如圖質(zhì)譜儀原理如圖569所示，所示，a為粒子加為粒子加 速器，電壓為速器，電壓為U1，b為速度選擇器，磁場(chǎng)與電場(chǎng)正為速度選擇器，磁場(chǎng)與電場(chǎng)正 交，磁感應(yīng)強(qiáng)度為交，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，板間距離為，板間距離為d，c為偏轉(zhuǎn)分為偏轉(zhuǎn)分 離器，