【優(yōu)化方案】高二物理 第3章第五節(jié)洛倫茲力的應(yīng)用課件 教科

第五節(jié)洛倫茲力的應(yīng)用課標(biāo)定位學(xué)習(xí)目標(biāo)：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(zhì)譜儀和回旋加速器的構(gòu)造和原理．重點(diǎn)難點(diǎn)：質(zhì)譜儀和回旋加速器的原理和應(yīng)用．

核心要點(diǎn)突破課堂互動(dòng)講練知能優(yōu)化訓(xùn)練第五節(jié)洛倫茲力的應(yīng)用課前自主學(xué)案課前自主學(xué)案Bv0圖3－5－12．特點(diǎn)：只改變帶電粒子的__________，不改變帶電粒子的__________．二、質(zhì)譜儀和回旋加速器1．質(zhì)譜儀(1)原理圖：如圖3－5－2圖3－5－2運(yùn)動(dòng)方向速度大小qUqvB質(zhì)量m質(zhì)量同位素2．回旋加速器(1)構(gòu)造圖：如圖3－5－3圖3－5－3回旋加速器的核心部件是兩個(gè)_________.D形盒不變核心要點(diǎn)突破一、質(zhì)譜儀工作原理的理解質(zhì)譜儀是利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)控制電荷運(yùn)動(dòng)的精密儀器，它是測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具．其結(jié)構(gòu)如圖3－5－4甲所示，容器A中含有電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的帶電粒子．經(jīng)過(guò)S1和S2之間的電場(chǎng)加速，它們進(jìn)入磁場(chǎng)將沿著不同的半徑做圓周運(yùn)動(dòng)，打到照相底片的不同地方，在底片上形成若干譜線狀的細(xì)條，叫做質(zhì)譜線．每一條譜線對(duì)應(yīng)于一定的質(zhì)量．從譜線的位置可以知道圓周的半徑，如果再已知帶電粒子的電荷量，就可以算出它的質(zhì)量，這種儀器叫做質(zhì)譜儀．圖3－5－4即時(shí)應(yīng)用(即時(shí)突破，，小試牛刀刀)1.如圖3－5－5是質(zhì)譜儀儀的工作作原理示示意圖．．帶電粒粒子被加加速電場(chǎng)場(chǎng)加速后后，進(jìn)入入速度選選擇器，，速度選選擇器內(nèi)內(nèi)相互正正交的勻勻強(qiáng)磁場(chǎng)場(chǎng)和勻強(qiáng)強(qiáng)電場(chǎng)的的強(qiáng)度分分別為B和E.平板S上有可讓讓粒子通通過(guò)的狹狹縫P和記錄粒粒子位置置的膠片片A1A2.平板S下方有強(qiáng)強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁磁場(chǎng)．下下列表述述正確的的是()圖3－5－5A．質(zhì)譜儀儀是分析析同位素素的重要要工具B．速度選選擇器中中的磁場(chǎng)場(chǎng)方向垂垂直紙面面向外C．能通過(guò)過(guò)狹縫P的帶電粒粒子的速速率等于于E/BD．粒子打打在膠片片上的位位置越來(lái)來(lái)越靠近近狹縫P，粒子的的荷質(zhì)比比越小二、對(duì)回回旋加速速器的正正確認(rèn)識(shí)識(shí)1．回旋加加速器的的原理回旋加速速器的工工作原理理如圖3－5－6所示．放放在A0處的粒子子源發(fā)出出一個(gè)帶帶正電的的粒子，，它以某某一速率率v0垂直進(jìn)入入勻強(qiáng)磁磁場(chǎng)中，，在磁場(chǎng)場(chǎng)中做勻勻速圓周周運(yùn)動(dòng)．．經(jīng)過(guò)半半個(gè)周期期，當(dāng)它它沿著半半圓A0A1時(shí)，我們們?cè)贏1A1′處設(shè)置一一個(gè)向上上的電場(chǎng)場(chǎng)，使這這個(gè)帶電電粒子在在A1A1′處受到一一次電場(chǎng)場(chǎng)的加速速，速率率由v0增加到v1，然后粒粒子以速速率v1在磁場(chǎng)中中做勻速速圓周運(yùn)運(yùn)動(dòng)．圖3－5－6我們知道道，粒子子的軌道道半徑跟跟它的速速率成正正比，因因而粒子子將沿著著增大了了的圓周周運(yùn)動(dòng)．．又經(jīng)過(guò)過(guò)半個(gè)周周期，當(dāng)當(dāng)它沿著著半圓弧弧A1′A2′到達(dá)A2′時(shí)，我們們?cè)贏2′A2處設(shè)置一一個(gè)向下下的電場(chǎng)場(chǎng)，使粒粒子又一一次受到到電場(chǎng)的的加速，，速率增增加到v2.如此繼續(xù)續(xù)下去，，每當(dāng)粒粒子運(yùn)動(dòng)動(dòng)到A1A1′、A3A3′等處時(shí)都都使它受受到一個(gè)個(gè)向上電電場(chǎng)的加加速，每每當(dāng)粒子子運(yùn)動(dòng)到到A2′A2、A4′A4等處時(shí)都都使它受受到一個(gè)個(gè)向下電電場(chǎng)的加加速，那那么，粒粒子將沿沿著圖示示的螺旋旋線回旋旋下去，，速率將將一步一一步地增增大．特別提醒醒：由上上式可以以看出，，要使粒粒子射出出的動(dòng)能能Ekm增大，就就要使磁磁場(chǎng)的磁磁感應(yīng)強(qiáng)強(qiáng)度B以及D形盒的半半徑R增大，而而與加速速電壓U的大小無(wú)無(wú)關(guān)(U≠0)．即時(shí)應(yīng)用用(即時(shí)突破破，小試試牛刀)2.回旋加速速器是加加速帶電電粒子的的裝置，，其核心心部分是是分別與與高頻交交流電極極相連接接的兩個(gè)個(gè)D形金屬盒盒，兩盒盒間的狹狹縫中形形成的周周期性變變化的電電場(chǎng)，使使粒子在在通過(guò)狹狹縫時(shí)都都能得到到加速，，兩D形金屬盒盒處于垂垂直于盒盒底的勻勻強(qiáng)磁場(chǎng)場(chǎng)中，如如圖3－5－7所示，要增大大帶電粒子射射出時(shí)的動(dòng)能能，則下列說(shuō)說(shuō)法中正確的的是()圖3－5－7A．增大勻強(qiáng)強(qiáng)電場(chǎng)間的的加速電壓壓B．增大磁場(chǎng)場(chǎng)的磁感應(yīng)應(yīng)強(qiáng)度C．減小狹縫縫間的距離離D．增大D形金屬盒的的半徑三、帶電粒粒子在復(fù)合合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)動(dòng)的分析方方法和思路路1．弄清復(fù)合合場(chǎng)的組成成．一般有有磁場(chǎng)、電電場(chǎng)的復(fù)合合，磁場(chǎng)、、重力場(chǎng)的的復(fù)合，磁磁場(chǎng)、電場(chǎng)場(chǎng)、重力場(chǎng)場(chǎng)三者的復(fù)復(fù)合．2．正確進(jìn)行行受力分析析，除重力力、彈力、、摩擦力外外要特別注注意靜電力力和磁場(chǎng)力力的分析．．3．確定帶電電粒子的運(yùn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，，注意運(yùn)動(dòng)動(dòng)情況和受受力情況的的結(jié)合．4．對(duì)于粒子子連續(xù)通過(guò)過(guò)幾個(gè)不同同情況的場(chǎng)場(chǎng)的問(wèn)題，，要分階段段進(jìn)行處理理．5．畫(huà)出粒子子的運(yùn)動(dòng)軌軌跡，靈活活選擇不同同的運(yùn)動(dòng)規(guī)規(guī)律．(1)當(dāng)帶電粒子子在復(fù)合場(chǎng)場(chǎng)中做勻速速直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)，根據(jù)據(jù)受力平衡衡列方程求求解．(2)當(dāng)帶電粒子子在復(fù)合場(chǎng)場(chǎng)中做勻速速圓周運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)，應(yīng)用用牛頓定律律結(jié)合圓周周運(yùn)動(dòng)規(guī)律律求解．(3)當(dāng)帶電粒子子做復(fù)雜曲曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)時(shí)，一般用用動(dòng)能定理理或能量守守恒定律求求解．(4)對(duì)于臨界問(wèn)問(wèn)題，注意意挖掘隱含含條件．特別提醒：：(1)電子、質(zhì)子子、α粒子等一般般不計(jì)重力力，帶電小小球、塵埃埃、液滴等等帶電顆粒粒一般要考考慮重力的的作用．(2)注意重力、、電場(chǎng)力做做功與路徑徑無(wú)關(guān)，洛洛倫茲力始始終和運(yùn)動(dòng)動(dòng)方向垂直直、永不做做功的特點(diǎn)點(diǎn)．即時(shí)應(yīng)用(即時(shí)突破，，小試牛刀刀)3．(2020年杭州高二二檢測(cè))一個(gè)帶電粒粒子以初速速度v0垂直于電場(chǎng)場(chǎng)方向向右右射入勻強(qiáng)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域域，穿出電電場(chǎng)后接著著又進(jìn)入勻勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)區(qū)域．設(shè)電電場(chǎng)和磁場(chǎng)場(chǎng)區(qū)域有明明確的分界界線，且分分界線與電電場(chǎng)強(qiáng)度方方向平行，，如圖3－5－8中的虛線表表示．在圖圖所示的幾幾種情況中中，可能出出現(xiàn)的是()圖3－5－8解析：選AD.A、C選項(xiàng)中粒子子在電場(chǎng)中中向下偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，所以粒粒子帶正電電，再進(jìn)入入磁場(chǎng)后，，A圖中粒子應(yīng)應(yīng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，正確．．C圖中粒子應(yīng)應(yīng)順時(shí)針轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，錯(cuò)誤．．同理可以以判斷B錯(cuò)，D對(duì)．課堂互動(dòng)講練類型一帶電粒子在有界磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)例1如圖3－5－9所示，一束束電子(電荷量為e)以速度v垂直射入磁磁感應(yīng)強(qiáng)度度為B、寬度為d的勻強(qiáng)磁場(chǎng)場(chǎng)中，穿透透磁場(chǎng)時(shí)速速度方向與與原來(lái)入射射方向的夾夾角是30°，則電子的的質(zhì)量是________，穿透磁場(chǎng)場(chǎng)的時(shí)間是是________．圖3－5－9【思路點(diǎn)撥】由于洛倫茲茲力總是垂垂直于速度度方向，若若已知帶電電粒子的任任意兩個(gè)速速度方向，，就可以通通過(guò)作出兩兩速度的垂垂線，找出出兩垂線的的交點(diǎn)即為為帶電粒子子做圓周運(yùn)運(yùn)動(dòng)的圓心心．變式式訓(xùn)訓(xùn)練練1如圖圖3－5－10所示示，，在在圓圓形形區(qū)區(qū)域域里里，，有有勻勻強(qiáng)強(qiáng)磁磁場(chǎng)場(chǎng)，，方方向向如如圖圖所所示示，，有有一一束束速速率率各各不不相相同同的的質(zhì)質(zhì)子子自自A點(diǎn)沿沿半半徑徑方方向向射射入入磁磁場(chǎng)場(chǎng)，，這這些些質(zhì)質(zhì)子子在在磁磁場(chǎng)場(chǎng)中中()A．運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)時(shí)間間越越長(zhǎng)長(zhǎng)的的，，其其軌軌跡跡所所對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)的的圓圓心心角角越越大大B．運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)時(shí)間間越越長(zhǎng)長(zhǎng)的的，，其其軌軌跡跡越越長(zhǎng)長(zhǎng)C．運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)時(shí)間間越越短短的的，，射射出出磁磁場(chǎng)場(chǎng)時(shí)時(shí)，，速速率率越越小小D．運(yùn)動(dòng)時(shí)時(shí)間越短短的，射射出磁場(chǎng)場(chǎng)時(shí)，速速度方向向偏轉(zhuǎn)越越小圖3－5－10類型二對(duì)質(zhì)譜儀的理解和應(yīng)用例2如圖3－5－11所示是測(cè)測(cè)量帶電電粒子質(zhì)質(zhì)量的儀儀器的工工作原理理示意圖圖．設(shè)法法將某有有機(jī)化合合物的氣氣態(tài)分子子導(dǎo)入圖圖中所示示的容器器A中，使它它受到電電子束轟轟擊，失失去一個(gè)個(gè)電子變變成正一一價(jià)的分分子離子子．分子子離子從從狹縫S1以很小的的速度進(jìn)進(jìn)入電壓壓為U的加速電電場(chǎng)區(qū)(初速不計(jì)計(jì))，加速后后，再通通過(guò)狹縫縫S2、S3射入磁感感應(yīng)強(qiáng)度度為B的勻強(qiáng)磁磁場(chǎng)，方方向垂直直于磁場(chǎng)場(chǎng)區(qū)的界界面PQ.最后，分分子離子子打到感感光片上上，形成成垂直于于紙面而而且平行行于狹縫縫S3的細(xì)線．．若測(cè)得得細(xì)線到到狹縫S3的距離為為d，導(dǎo)出分分子離子子的質(zhì)量量m的表達(dá)式式．圖3－5－11【思路點(diǎn)撥撥】電場(chǎng)中粒粒子做加加速運(yùn)動(dòng)動(dòng)，速度度選擇器器則可以以使通過(guò)過(guò)S3的粒子具具有相同同的速度度，磁場(chǎng)場(chǎng)中帶電電粒子做做圓周運(yùn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)經(jīng)半個(gè)周周期打到到感光片片上．【規(guī)律總結(jié)結(jié)】熟練掌握握帶電粒粒子在電電場(chǎng)中加加速和磁磁場(chǎng)中做做勻速圓圓周運(yùn)動(dòng)動(dòng)的公式式，才能能較好地地解決題題目．變式訓(xùn)練練2如圖3－5－12為質(zhì)譜譜儀的的示意意圖．．速度度選擇擇部分分的勻勻強(qiáng)電電場(chǎng)場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)E＝1.2×105V/m，勻強(qiáng)強(qiáng)磁場(chǎng)場(chǎng)的磁磁感應(yīng)應(yīng)強(qiáng)度度為B1＝0.6T．偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)分離離器的的磁感感應(yīng)強(qiáng)強(qiáng)度為為B2＝0.8T．求：：(1)能通過(guò)過(guò)速度度選擇擇器的的粒子子速度度有多多大？？(2)質(zhì)子和和氘核核進(jìn)入入偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)分離離器后后打在在底片片上的的條紋紋之間間的距距離d為多少少？圖3－5－12答案：：(1)2××105m/s(2)5.2××10－3m類型三回旋加速器的應(yīng)用例3回旋加加速器器是用用來(lái)加加速帶帶電粒粒子使使它獲獲得很很大動(dòng)動(dòng)能的的儀器器，其其核心心部分分是兩兩個(gè)D形金屬屬盒，，兩盒盒分別別和一一高頻頻交流流電源源兩極極相連連，以以便在在盒間間的窄窄縫中中形成成勻強(qiáng)強(qiáng)電場(chǎng)場(chǎng)，使使粒子子每次次穿過(guò)過(guò)窄縫縫都得得到加加速，，兩盒盒放在在勻強(qiáng)強(qiáng)磁場(chǎng)場(chǎng)中，，磁場(chǎng)場(chǎng)方向向垂直直于盒盒底面面，粒粒子源源置于于盒的的圓心心附近近，若若粒子子源射射出的的粒子子電荷荷量為為q，質(zhì)量量為m，粒子子最大大回旋旋半徑徑為Rm，其運(yùn)運(yùn)動(dòng)軌軌跡如如圖3－