物理洛倫茲力與現(xiàn)代技術(shù)粵教選修PPT課件

1、課標定位學習目標：1.掌握帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的規(guī)律和分析方法2知道質(zhì)譜儀和回旋加速器的構(gòu)造和原理重點難點：帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的規(guī)律及分析方法第1頁/共48頁一、帶電粒子在磁場中的運動1演示實驗如圖361中甲、乙所示(1)不加磁場時，觀察到電子束的徑跡是_(2)加上磁場時，電子束的徑跡是_圖361一條直線一個圓第2頁/共48頁2當帶電粒子在磁場中僅受洛倫茲力作用時，由于洛倫茲力始終與運動方向垂直，故帶電粒子做勻速圓周運動，已知電荷量為q的帶電粒子，以速度大小為v垂直于磁場方向進入磁感應強度為B的勻強磁場中，其運動軌道半徑為：rmv/qB；周期為T_.2m/qB第3

2、頁/共48頁思考感悟在僅受洛倫茲力作用的情況下，帶電粒子在勻強磁場中有可能做變速直線運動嗎？提示：在勻強磁場中，帶電粒子可以做勻速直線運動，也可以做變速曲線運動，但不可能做變速直線運動第4頁/共48頁二、質(zhì)譜儀同位素是_、 _的原子由于同位素的化學性質(zhì)相同，不能用化學方法加以區(qū)分，可以采用物理方法質(zhì)譜儀常用來研究物質(zhì)的同位素1用途：測定帶電粒子的_和_原子序數(shù)相同原子質(zhì)量不同荷質(zhì)比質(zhì)量第5頁/共48頁2構(gòu)造：質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)如圖362所示，帶電粒子經(jīng)過S1和S2之間的電場加速后，進入P1、P2之間的區(qū)域P1、P2之間存在著互相正交的磁感應強度為B1的勻強磁場和電場強度為E的勻強電場，只有在這一區(qū)域

3、內(nèi)不改變運動方向的粒子才能順利通過S0上的狹縫，進入磁感應強度為B2的勻強磁場區(qū)域在該區(qū)域內(nèi)帶電粒子做_運動，打在照相底片上，留下印跡A1、A2.勻速圓周圖362第6頁/共48頁3原理：帶電粒子在加速電場中加速獲得速度，且以此速度進入P1、P2之間的區(qū)域，因P1、P2之間存在著互相正交的磁感應強度為B1的勻強磁場和電場強度為E的勻強電場，是速度選擇器，所以只有滿足_的粒子才能做勻速直線運動通過S0上的狹縫帶電粒子以速度v進入磁感應強度為B2的勻強磁場區(qū)域，只受洛倫茲力作用，做勻速圓周運動，運動半徑r ，由以上兩式消去v，得_.第7頁/共48頁在這些量中v、B、r可直接測量，故可利用該裝置_，若

4、測出q則可求出質(zhì)量m.質(zhì)譜儀是湯姆生的學生_發(fā)明的，他因發(fā)明質(zhì)譜儀和發(fā)現(xiàn)非放射性元素的同位素等貢獻而獲得1922年諾貝爾化學獎測量荷質(zhì)比阿斯頓第8頁/共48頁三、回旋加速器1加速器是使帶電粒子獲得高能量的裝置._年美國加利福尼亞州伯克利加州大學的_制成了世界上第一臺回旋加速器，其真空室的直徑只有10.2 cm，此后不斷改進又制成了實用的回旋加速器他因為發(fā)明和發(fā)展了回旋加速器獲得了_年度_獎1930勞倫斯1939諾貝爾物理學第9頁/共48頁2構(gòu)造和原理(1)構(gòu)造圖：如圖363圖363(2)如果交流電源的周期正好與離子運動的周期_，離子在每次通過間隙時都會被加速，隨著速度的增加，離子做圓周運動的半

5、徑也將逐步加大，當達到預期的速率時，用靜電偏轉(zhuǎn)板將高能離子引出D形盒，用于科學研究相同第10頁/共48頁核心要點突破一、帶電粒子在勻強磁場中的運動1當v平行于B時：f0，勻速直線運動2當v垂直于B時：洛倫茲力f起向心力的作用，粒子將做勻速圓周運動(如圖364所示)粒子運動的軌道半徑r和周期T：由fF向得：qvBmv2/r得粒子運動的軌道半徑：rmv/qB由T2r/v得：T2m/Bq.圖364第11頁/共48頁即時應用(即時突破，小試牛刀)1已知氫核與氦核的質(zhì)量之比m1 m21 4，電荷量之比q1 q21 2，當氫核與氦核以v1 v24 1的速度，垂直于磁場方向射入磁場后，分別做勻速圓周運動，則

6、氫核與氦核半徑之比r1 r2_，周期之比T1 T2_.第12頁/共48頁答案：2 11 2第13頁/共48頁二、帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的分析帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的問題，要求我們能正確地分析、解決特別是帶電粒子在有界磁場中的運動，更為重要這類問題，重要的是畫軌跡，找圓心和求半徑，然后再利用圓的知識、牛頓第二定律等進一步求解1找圓心、求半徑(1)圓心的確定帶電粒子進入一個有界磁場后的軌跡是一段圓弧，如何確定圓心是解決此類問題的前提，也是解題的關鍵一個最基本的思路是：圓心一定在與速度方向垂直的直線上，舉例如下：第14頁/共48頁已知入射方向和出射方向時，可通過入射點和出射點

7、作垂直于入射方向和出射方向的直線，兩條直線的交點就是圓弧軌道的圓心(如圖365所示，圖中P為入射點，M為出射點)圖365第15頁/共48頁已知入射方向和出射點的位置時，可以通過入射點作入射方向的垂線，連接入射點和出射點，作其中垂線，這兩條垂線的交點就是圓弧軌道的圓心(如圖366所示，P為入射點，M為出射點)圖366第16頁/共48頁第17頁/共48頁(2)幾個有關的角及其關系如圖367所示，粒子做勻速圓周運動時，為粒子速度的偏向角，粒子與圓心的連線轉(zhuǎn)過的角度為回旋角(或圓心角)，AB弦與切線的夾角為弦切角，它們的關系為：2.圖367第18頁/共48頁特別提醒：在不同邊界的磁場中運動的幾種軌跡如

8、圖368所示圖368第19頁/共48頁即時應用(即時突破，小試牛刀)如圖369所示，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的勻強磁場中，穿透磁場時速度方向與電子原來入射方向的夾角是30，則電子的質(zhì)量是_，穿透磁場的時間是_圖369第20頁/共48頁第21頁/共48頁三、回旋加速器的原理圖36101.回旋加速器的工作原理如圖3610所示，設離子源中放出的是帶正電的粒子，帶正電的粒子以一定的初速度v0進入下方D形盒中的勻強磁場做勻速圓周運動，運行半周后回到窄縫的邊緣這時在A1、A1間加一向上的電場，粒子將在電場作用下被加速，速率第22頁/共48頁由v0變?yōu)関1，然后粒子在上

9、方D形盒的勻強磁場中做圓周運動，經(jīng)過半個周期后到達窄縫的邊緣A2，這時在A2、A2間加一向下的電場，使粒子又一次得到加速，速率變?yōu)関2，這樣使帶電粒子每通過窄縫時被加速，又通過盒內(nèi)磁場的作用使粒子回旋到窄縫，通過反復加速使粒子達到很高的能量第23頁/共48頁第24頁/共48頁即時應用(即時突破，小試牛刀)3(雙選)在回旋加速器中，下列說法正確的是()A電場用來加速帶電粒子，磁場則使帶電粒子旋轉(zhuǎn)B電場和磁場同時用來加速帶電粒子C在確定的交流電壓下，回旋加速器的半徑越大，同一帶電粒子獲得的動能越大D同一帶電粒子獲得的最大動能只與交流電源的電壓有關，而與交流電源的頻率無關第25頁/共48頁解析：選A

10、C.在回旋加速器中磁場是用來偏轉(zhuǎn)的，電場是用來加速的，所以選項A正確，B錯誤在確定的交流電壓下，回旋加速器的半徑越大，同一帶電粒子獲得的動能越大，與交流電源的電壓無關，選項C正確，D錯誤第26頁/共48頁 如圖3611所示，虛線圓所圍區(qū)域內(nèi)有方向垂直紙面向里的勻強磁場，磁感應強度為B.一束電子沿圓形區(qū)域的直徑方向以速度v射入磁場，電子束經(jīng)過磁場區(qū)域后，其運動方向與原入射方向成角設電子的質(zhì)量為m，電荷量為e，不計電子之間的相互作用力及電子所受的重力求：(1)電子在磁場中運動軌跡的半徑R；(2)電子在磁場中運動的時間t；(3)圓形磁場區(qū)域的半徑r.課堂互動講練帶電粒子在有界勻強磁場中的運動帶電粒子

11、在有界勻強磁場中的運動圖3611第27頁/共48頁【思路點撥】對帶電粒子在有界磁場中勻速圓周運動的求解，關鍵是畫出勻速圓周運動的軌跡，利用幾何知識找出圓心及相應的半徑，從而找出圓弧所對應的圓心角由圓心和軌跡用幾何知識確定半徑是研究帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的重要方法第28頁/共48頁第29頁/共48頁圖3612第30頁/共48頁變式訓練1如圖3613所示，一帶電量為q2109C、質(zhì)量為m1.81016kg的粒子，在直線上一點O處沿與直線成30角的方向垂直進入磁感應強度為B的勻強磁場中，經(jīng)歷t1.5106s后到達直線上另一點P.求：(1)粒子做圓周運動的周期T；(2)磁感應強度B的大?。?/p>

12、(3)若OP的距離為0.1 m，則粒子的運動速度v多大？圖3613第31頁/共48頁解析：粒子進入磁場后，受洛倫茲力的作用，重力很小可忽略粒子做勻速圓周運動的軌跡如圖所示第32頁/共48頁答案：(1)1.8106s(2)0.314 T(3)3.49105 m/s第33頁/共48頁 (雙選)如圖3614所示，有a、b、c、d四個離子，它們帶等量的同種電荷，質(zhì)量不等，mambmcmd，以不等的速度vavbvcvd進入速度選擇器后，有兩種離子從速度選擇器中射出，進入B2磁場，由此可判定()A射到A1的是a離子B射到A1的是b離子C射到A2的是c離子D射到A2的是d離子質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀圖圖3614第34頁

13、/共48頁【答案】BC第35頁/共48頁【方法總結(jié)】在解決質(zhì)譜儀的相關問題時，應理解其工作原理，結(jié)合洛倫茲力的作用和特點進行綜合分析要做好受力情況分析、運動過程分析及動能關系分析，要善于把實際問題抽象成簡單的物理模型，搞清它的基本原理第36頁/共48頁變式訓練2 (雙選)質(zhì)譜儀是一種測定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具，它的構(gòu)造原理如3615圖所示，離子源S產(chǎn)生的各種不同正離子束(速度可看作為零)，經(jīng)加速電場加速后垂直進入有界勻強磁場，到達記錄它的照相底片P上，設離子在P上的位置到入口處S1的距離為x，可以判斷()圖3615第37頁/共48頁A若離子束是同位素，則x越大，離子質(zhì)量越大B若離子

14、束是同位素，則x越大，離子質(zhì)量越小C只要x相同，則離子質(zhì)量一定相同D只要x相同，則離子的荷質(zhì)比一定相同第38頁/共48頁第39頁/共48頁回旋加速器回旋加速器 回旋加速器是用于加速帶電粒子流，使之獲得很大動能的儀器，其核心部分是兩個D形金屬扁盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相接，以便在盒間狹縫中形成勻強電場，使粒子每穿過狹縫都得到加速；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的圓心附近，若粒子源射出的粒子電量為q，質(zhì)量為m，粒子最大回旋半徑為Rm，其運動軌跡如圖3616所示，問第40頁/共48頁(1)粒子在盒內(nèi)做何種運動？(2)粒子在兩盒間狹縫內(nèi)做何種運動？(3)所加交變電壓頻率為多大？(4)粒子離開加速器時速度多大？(5)設兩D形盒間電場的電勢差為U，盒間距離為d，求加速到上述能量所需時間圖3616第41頁/共48頁第42頁/共48頁第43頁/共48頁【方法總結(jié)】回旋加速器是帶電粒子在電場、磁場中運動的一種具體應用電場起加速作用，磁場起