【同步】高中物理教科版(2019)選擇性必修2：第1章4.洛倫茲力的應(yīng)用課件

第一章4.洛倫茲力的應(yīng)用基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識全過關(guān)重難探究·能力素養(yǎng)全提升目錄索引

學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的構(gòu)造和作用。(物理觀念)2.探究質(zhì)譜儀、回旋加速器、磁流體發(fā)電機(jī)、電磁流量計、霍爾元件的工作原理。(科學(xué)探究)3.掌握涉及電磁科技的應(yīng)用問題。(科學(xué)思維)基礎(chǔ)落實(shí)·必備知識全過關(guān)一、利用磁場控制帶電粒子運(yùn)動(1)特點(diǎn):只改變帶電粒子的

,不改變帶電粒子的

。

(2)應(yīng)用:早期電視機(jī)顯像管利用隨電視信號變化的

控制電子束的運(yùn)動路徑。

運(yùn)動方向速度大小磁場二、質(zhì)譜儀1.原理(1)加速——帶電粒子進(jìn)入質(zhì)譜儀的加速電場,由動能定理得Uq=mv2。(2)勻速——帶電粒子在速度選擇器中所受的電場力和洛倫茲力平衡,粒子沿直線運(yùn)動,qE=qvB1。

可確定某一速度的粒子(3)偏轉(zhuǎn)——帶電粒子進(jìn)入質(zhì)譜儀的偏轉(zhuǎn)磁場做勻速圓周運(yùn)動,2.質(zhì)譜儀的應(yīng)用利用質(zhì)譜儀可檢測

或核物質(zhì)中的

和不同成分?；瘜W(xué)物質(zhì)同位素三、回旋加速器1.構(gòu)造如圖所示,D1、D2是半圓金屬盒,D形盒處于勻強(qiáng)磁場中,D形盒的縫隙處接交流電源。2.原理交流電源周期和粒子做圓周運(yùn)動的周期相等,使粒子每經(jīng)過一次D形盒縫隙,就被加速一次。粒子每經(jīng)過一次加速,其軌道半徑就增大一些,但粒子繞圓周運(yùn)動的周期不變。3.加速條件帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動的周期和交變電場的周期相同。

不計帶電粒子在電場中加速時間4.最大速度vm=

。

情境鏈接如圖所示為某質(zhì)譜儀原理示意圖。

(1)粒子在S1區(qū)域做什么運(yùn)動?(2)粒子在S2區(qū)域做何種運(yùn)動?(3)粒子進(jìn)入磁場時的速率為多大?(4)粒子在磁場中運(yùn)動的軌道半徑為多大?[(3)(4)用圖中字母表示]提示

(1)初速度為零的勻加速直線運(yùn)動。(2)勻速直線運(yùn)動。教材拓展閱讀教材P24“發(fā)展空間”——《磁流體發(fā)電機(jī)》。磁流體發(fā)電機(jī)的原理如圖所示,相距為d的兩平行金屬板A、B之間有一個很強(qiáng)的磁場,一束等離子體(即高溫下電離的氣體,含有大量正、負(fù)帶電粒子)以速度v沿垂直于磁場的方向射入磁場,由于等離子體在磁場力的作用下運(yùn)動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),A、B板上就會聚集等離子體,從而在兩板間產(chǎn)生電壓。若A、B兩板間的磁場、電場按勻強(qiáng)磁場、勻強(qiáng)電場處理,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,不計重力。求該磁流體發(fā)電機(jī)的電動勢E,并提出一種可以提高該磁流體發(fā)電機(jī)電動勢的方法。提示

穩(wěn)定時,洛倫茲力與電場力平衡,則有qvB=,解得E=dvB根據(jù)上述可知,提高該磁流體發(fā)電機(jī)電動勢的方法是增大磁感應(yīng)強(qiáng)度、增大極板之間的間距或增大等離子體的入射速度。易錯辨析(1)利用回旋加速器加速帶電粒子,要提高加速粒子的最終能量,應(yīng)盡可能增大加速電壓和D形盒的半徑R。(

)(2)利用質(zhì)譜儀可以測得帶電粒子的比荷。(

)(3)回旋加速器工作時,電場必須是周期性變化的。(

)(4)回旋加速器中,磁場的作用是改變粒子速度的大小。(

)×√√×重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究點(diǎn)一質(zhì)譜儀的原理及應(yīng)用導(dǎo)學(xué)探究(1)一束質(zhì)量、速度和電荷量都不同的正離子垂直地射入勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場正交的區(qū)域,結(jié)果發(fā)現(xiàn)有些離子保持原來的運(yùn)動方向,未發(fā)生任何偏轉(zhuǎn),它們的速度有什么特點(diǎn)?(2)如果讓這些不偏轉(zhuǎn)離子進(jìn)入另一勻強(qiáng)磁場中,發(fā)現(xiàn)這些離子又分裂成幾束,對這些進(jìn)入另一磁場的離子,它們的比荷是否相同?提示

(1)相等。(2)不同。

知識歸納應(yīng)用體驗(yàn)【例1】

(2023重慶江北高二期末)如圖所示為質(zhì)譜儀的工作原理圖,最初是由阿斯頓設(shè)計的,是一種測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具。其工作原理:一個質(zhì)量為m、電荷量為q的離子,從容器A下方的小孔S1飄入電勢差為U的加速電場,其初速度幾乎為0,然后經(jīng)過S3沿著與磁場垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中,最后打到照相底片D上。不計離子重力,則(

)答案

C對點(diǎn)演練1(2023重慶巴蜀中學(xué)高二期末)19世紀(jì)末,湯姆孫的學(xué)生阿斯頓設(shè)計了質(zhì)譜儀,并用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了氖-20和氖-22,證實(shí)了同位素的存在。圖甲為質(zhì)譜儀工作的原理圖,已知質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子,從容器A下方的小孔S1飄入電勢差為U的加速電場,其初速度幾乎為0,然后經(jīng)過S3沿著與磁場垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中,最后打到照相底片D上的P點(diǎn),且S3P=x。忽略粒子的重力,通過實(shí)驗(yàn)測得x與

的關(guān)系如圖乙所示,已知斜率為k=0.5,勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為2×10-4T,π=3.14。下列說法正確的是(

)A.該粒子帶負(fù)電B.該粒子比荷為9×108C/kgC.若電壓U不變,x越大,則粒子比荷越大D.該粒子在S3下方磁場中運(yùn)動的時間約為1.96×10-5sD探究點(diǎn)二回旋加速器的原理及應(yīng)用導(dǎo)學(xué)探究帶電粒子在D形盒內(nèi)做圓周運(yùn)動的周期隨半徑的增大是否發(fā)生變化?為了保證每次帶電粒子經(jīng)過狹縫時均被加速,使其能量不斷提高,所加交變電壓的周期與帶電粒子做圓周運(yùn)動的周期有何關(guān)系?提示

不變;相同。

知識歸納1.交變電壓的周期帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動的周期,與速率、半徑均無關(guān)。運(yùn)動相等的時間(半個周期)后進(jìn)入電場,為了保證帶電粒子每次經(jīng)過狹縫時都被加速,須在狹縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動周期相同的交變電壓,所以交變電壓的周期也與粒子的速率、半徑無關(guān),由帶電粒子的比荷和磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度決定。2.帶電粒子的最終能量由,帶電粒子獲得的最大動能由磁感應(yīng)強(qiáng)度B和D形盒半徑R決定,與加速電壓無關(guān)。3.帶電粒子被加速次數(shù)的計算帶電粒子在回旋加速器中被加速的次數(shù)

(U是加速電壓的大小),一個周期加速兩次。加速電壓小,每一次獲得的能量小,加速次數(shù)就多。4.帶電粒子在回旋加速器中運(yùn)動的時間粒子在磁場中運(yùn)動的總時間

。(不計粒子在狹縫中運(yùn)動的時間)應(yīng)用體驗(yàn)【例2】

在磁極間的真空室內(nèi)有兩個半徑為R的半圓形金屬扁盒(D形盒)隔開相對放置,D形盒間加頻率為f的高頻率交變電流,其間隙處產(chǎn)生交變電場。置于中心的粒子源產(chǎn)生質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子(初速度視為零),受到電場加速,在D形盒內(nèi)不受電場力,僅受磁極間磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場的洛倫茲力,在垂直磁場平面做圓周運(yùn)動。經(jīng)過多次加速,粒子沿螺旋形軌道從D形盒邊緣射出,能量可達(dá)幾十兆電子伏特(MeV)。不考慮相對論效應(yīng),下列說法正確的是(

)A.粒子第一次和第二次經(jīng)過D形盒間狹縫后軌道半徑之比為1∶2B.加速電壓越大,粒子獲得的最大動能就越大C.粒子獲得的最大動能為D.保持交變電流頻率f和磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變可以加速比荷不同的粒子答案

C對點(diǎn)演練2(2023江蘇南通期末)回旋加速器的示意圖如圖所示,交流電壓u的大小和頻率保持不變,磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B可以調(diào)節(jié)。用該裝置分別對

加速,則質(zhì)子和氦核的最大動能之比為(

)A.1∶8

B.1∶4 C.1∶2

D.1∶1B學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)123451.(利用磁場控制帶電粒子運(yùn)動)如圖所示,比荷為

的電子垂直射入方向垂直紙面向里、寬度為d、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場區(qū)域,則電子能從右邊界射出這個區(qū)域至少應(yīng)具有的初速度大小為(

)B123452.(質(zhì)譜儀)(2023江蘇宿遷高二期末)應(yīng)用質(zhì)譜儀測定有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的方法稱為質(zhì)譜法,原理如圖所示:先在離子化室A中將有機(jī)物氣體分子碎裂成兩種帶正電的離子,離子從下方的小孔S飄入電勢差為U的加速電場,其初速度幾乎為0,然后經(jīng)過S1沿著與磁場垂直的方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中,最后打到照相底片D上,形成a、b兩條質(zhì)譜線,則(

)A.打到a處的離子的比荷小B.兩種離子進(jìn)入磁場時的速度相同C.勻強(qiáng)磁場的方向垂直紙面向里D.兩種離子在磁場中的運(yùn)動時間相等A12345123453.(回旋加速器)(多選)(2023山東威海高二期末)回旋加速器兩個D形盒間接一高頻交流電源,兩D形盒放在勻強(qiáng)磁場中,帶電粒子經(jīng)過回旋加速器加速后可以獲得很大的動能。利用同一回旋加速器,僅改變高頻交流電源的頻率就可以實(shí)現(xiàn)對不同種類的粒子加速。用同一加速器先后加速質(zhì)子和α粒子(α粒子的電荷數(shù)為2,質(zhì)量數(shù)為4),不考慮粒子在D形盒狹縫中電場里的運(yùn)動時間,下列說法正確的是(

)A.加速α粒子時所用的交流電源的頻率是加速質(zhì)子的2倍B.質(zhì)子和α粒子最終獲得的最大動能相等C.質(zhì)子和α粒子在回旋加速器中加速的次數(shù)相等D.質(zhì)子和α粒子在回旋加速器中運(yùn)動的時間相等BD12345解析

帶電粒子在回旋加速器中每個運(yùn)動周期內(nèi)被加速兩次,交流電源每個周期方向改變兩次,所以交流電源的周期等于帶電粒子的運(yùn)動周期T,1234512345123454.(科學(xué)儀器綜合)(多選)(2023山東臨沂高二期末)關(guān)于下列四幅圖的說法正確的是(

)A.圖甲是速度選擇器示意圖,由圖不能判斷出帶電粒子的電性,不計重力的帶電粒子能夠沿直線

勻速通過速度選擇器的條件是B.圖乙是磁流體發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,由圖可以判斷出A極板是發(fā)電機(jī)的正極,且增大磁感應(yīng)強(qiáng)度可以增大電路中的電流C.圖丙是質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)示意圖,打在相機(jī)底片上的位置越靠近狹縫S3,說明帶電粒子的比荷越大D.圖丁是回旋加速器示意圖,要使帶電粒子飛出加速器時的動能增大,可僅增加電壓U12345答案

AC12345解析

圖甲是速度選擇器示意圖,由圖無法判斷出帶電粒子的電性,帶電粒子做勻速直線運(yùn)動,根據(jù)平衡條件有qE=qvB,解得

,A正確;根據(jù)左手定則可知,正電荷向下偏轉(zhuǎn),負(fù)電荷向上偏轉(zhuǎn),所以下極板帶正電,A極板是電源的負(fù)極,B極板是電源的正極,根據(jù)平衡條件有qE=qvB且

,解得U=Bdv,則回路中的電流為

,故增大磁感應(yīng)強(qiáng)度,可以增大電路中的電流,B錯誤;帶電粒子先經(jīng)過電場加速,則有qU=mv2,帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動,洛倫茲力充當(dāng)向心力,則有

,所以越靠近狹縫半徑越小,比荷越大,C正確;帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動,洛倫茲力充當(dāng)向心力,則有

,所以速度與電壓無關(guān),即最大