2018版高中物理 第3章 打開電磁學(xué)的大門 第3節(jié) 洛倫茲力的應(yīng)用學(xué)案 魯科版選修1-1

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1、第3節(jié)　洛倫茲力的應(yīng)用 學(xué)　習(xí)　目　標(biāo) 知　識(shí)　脈　絡(luò) 1.初步了解顯像管的主要構(gòu)造和真空顯像管的工作原理．(重點(diǎn)、難點(diǎn)) 2.了解帶電粒子的磁偏轉(zhuǎn)在磁流體發(fā)電機(jī)中的作用． 3.知道回旋加速器的工作原理，(重點(diǎn)、難點(diǎn))并了解加速器的基本用途. 磁 偏 轉(zhuǎn) 與 顯 像 管 1．顯像管的構(gòu)造：主要由電子槍和熒光屏兩部分構(gòu)成．電子槍用來發(fā)射電子束，熒光屏在電子束的沖擊下發(fā)光． 2．顯像管的原理 (1)為了再現(xiàn)拍攝時(shí)的原圖像，必須使電子束的掃描反映出原圖像的信息． (2)磁偏轉(zhuǎn)線圈：偏轉(zhuǎn)線圈通入電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)電子束通過時(shí)，將受到洛倫茲力作用，實(shí)現(xiàn)水平偏轉(zhuǎn)和

2、偏轉(zhuǎn)． (3)電子束的偏轉(zhuǎn)方向是用包含圖像信息的交變電流控制磁偏轉(zhuǎn)線圈實(shí)現(xiàn)的，電子束打在屏幕上的位置反映的就是圖像的信息，屏幕上展現(xiàn)的也就是拍攝的圖像． 1．黑白電視機(jī)的顯像管中只有一支電子槍．(√) 2．其他電器設(shè)備在工作時(shí)，不會(huì)對(duì)電視機(jī)產(chǎn)生影響．(×) 3．電子束撞擊熒光屏?xí)r熒光屏?xí)l(fā)光．(√) 1．電子束的磁偏轉(zhuǎn) 電子束在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，若速度方向與磁場(chǎng)方向垂直根據(jù)左手定則，運(yùn)動(dòng)電荷所受洛倫茲力方向始終與其速度方向垂直．因此洛倫茲力不能改變運(yùn)動(dòng)電荷速度的大小，只能改變運(yùn)動(dòng)的方向，使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)． 2．顯像管的工作原理 (1)工作原理：顯像管工作時(shí)，陰極發(fā)射電子，加速后

3、電子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)、磁場(chǎng)作用下打到熒光屏上不同位置，熒光屏因大量電子撞擊發(fā)光而形成圖像． (2)掃描：電子束打在熒光屏上的光點(diǎn)，按一定規(guī)則不斷在水平方向、豎直方向移動(dòng)叫掃描．電子束從最上一行到最下一行掃描一遍叫做一場(chǎng)，電視機(jī)中每秒要進(jìn)行50場(chǎng)掃描． 1．如圖3-3-1所示，如果在電子射線管上方平行于管軸放置一根載流導(dǎo)線，電流方向如圖所示，電子射線將朝什么方向偏轉(zhuǎn)？電流反向后情況會(huì)如何？想一想：為什么禁止將磁鐵靠近正在播放節(jié)目的電視機(jī)？ 圖3-3-1 【答案】　向下偏轉(zhuǎn)　向上偏轉(zhuǎn)　電視機(jī)顯像是靠電子轟擊熒光屏產(chǎn)生的，磁場(chǎng)將影響電子運(yùn)動(dòng)的軌跡，影響圖象質(zhì)量． 2．顯像管是電視機(jī)中的一

4、個(gè)重要元件，如圖3-3-2所示為電視機(jī)顯像管的偏轉(zhuǎn)線圈示意圖，圓心黑點(diǎn)表示電子槍射出的電子，它的方向由紙內(nèi)指向紙外．當(dāng)偏轉(zhuǎn)線圈通以圖示方向的電流時(shí)，電子束應(yīng)(　　) 圖3-3-2 A．向左偏轉(zhuǎn)　　 B．向上偏轉(zhuǎn) C．不偏轉(zhuǎn) D．向下偏轉(zhuǎn) 【解析】　偏轉(zhuǎn)線圈N極在右，S極在左，磁場(chǎng)方向向左，用左手定則，四指指向電子運(yùn)動(dòng)的反方向即可判斷． 【答案】　B 　磁 偏 轉(zhuǎn) 與 磁 流 體 發(fā) 電 機(jī) 1．磁流體發(fā)電機(jī)的構(gòu)造：由等離子源、磁極和兩個(gè)極板三部分構(gòu)成． 2．磁流體發(fā)電機(jī)的原理：等離子源中產(chǎn)生的高溫等離子導(dǎo)電氣體穿過磁場(chǎng)的發(fā)電通道時(shí)，受洛倫茲力作用，正、負(fù)離子分別

5、向兩個(gè)極板偏轉(zhuǎn)，兩個(gè)極板接收到帶電離子后形成電勢(shì)差，當(dāng)兩個(gè)極板與外電路形成閉合電路時(shí)，電路中就產(chǎn)生了電流． 1．磁流體發(fā)電機(jī)與火力發(fā)電機(jī)相比，大大提高了能量的轉(zhuǎn)化效率．(√) 2．目前我國(guó)已大量利用磁流體發(fā)電．(×) 3．兩極板間電壓只與離子入射速度有關(guān)．(×) 1．裝置 如圖3-3-3所示，A、B為兩個(gè)極板，極板間有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向向外，等離子束穿過磁場(chǎng)，根據(jù)左手定則可以判斷，正電荷偏向B極，負(fù)電荷偏向A極． 圖3-3-3 2．原理 正、負(fù)離子被極板吸收后，接收正離子的極板B帶正電，接收負(fù)離子的極板A帶負(fù)電，兩極板間產(chǎn)生了電場(chǎng)，電場(chǎng)的出現(xiàn)阻礙了離子的進(jìn)一步偏轉(zhuǎn)，

6、此后的離子受到兩個(gè)力的作用：電場(chǎng)力和洛倫茲力，當(dāng)這兩個(gè)力平衡時(shí)，離子不再偏轉(zhuǎn)，極板間的電壓達(dá)到穩(wěn)定． 3．電壓 設(shè)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度為v，帶電荷量為q，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，極板間距離為d，極板間電壓為U，據(jù)FB＝Fe，有qvB＝qE＝，得U＝Bdv. 3.(多選)目前世界上正研究的一種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)電機(jī)，如圖3-3-4所示它的發(fā)電原理：將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和帶負(fù)電的微粒，而從整體來說呈中性)沿圖中所示方向噴射入磁場(chǎng)，磁場(chǎng)中有兩塊金屬板A、B，這時(shí)金屬板上就聚集了電荷．在磁極配置如圖所示的情況下，下述說法正確的是(　　) 圖3-3-4 A．

7、A板帶正電 B．有電流從b經(jīng)用電器流向a C．金屬板A、B間的電場(chǎng)方向向下 D．等離子體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原因是離子所受洛倫茲力大于所受電場(chǎng)力 【解析】　由左手定則判定B板帶正電，故A、C錯(cuò)誤，B正確．離子偏轉(zhuǎn)的原因是離子受洛倫茲力大于所受電場(chǎng)力，故D正確． 【答案】　BD 4．如圖3-3-5所示是等離子體發(fā)電機(jī)的示意圖，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，兩板間距離為d，要使輸出電壓為U，則等離子的速度v為________，a是電源的________極. 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：18152071】 圖3-3-5 【解析】　由qvB＝q 得v＝， 由左手定則知正電荷向上偏，所以a端是電源的正極． 【答案】　　

8、正 這是一類聯(lián)系實(shí)際的問題，要明確發(fā)電機(jī)的工作原理，綜合運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)，利用共點(diǎn)力的平衡進(jìn)行求解.解決此類復(fù)合場(chǎng)問題時(shí)，正確地對(duì)物體進(jìn)行受力分析是關(guān)鍵. 磁 偏 轉(zhuǎn) 與 回 旋 加 速 器 1．回旋加速器的構(gòu)造：如圖3-3-6所示，D1，D2是半圓金屬扁盒，D形盒的縫隙處接高頻交流電源．D形盒處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中． 圖3-3-6 2．回旋加速器的原理：交流電周期和粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期相同，粒子在圓周運(yùn)動(dòng)的過程中一次一次地經(jīng)過D形盒縫隙，兩盒間的電勢(shì)差一次一次地反向，粒子就會(huì)被一次一次地加速． 1．帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)可獲得能量．(×) 2．帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中

9、做圓周運(yùn)動(dòng)的周期與速度大小無(wú)關(guān)．(√) 回旋加速器兩端所加的交流電壓的周期由什么決定？ 【提示】　為了保證每次帶電粒子經(jīng)過時(shí)均被加速，使之能量不斷提高，交流電壓的周期必須等于帶電粒子在回旋加速器中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期即T＝.因此，交流電壓的周期由帶電粒子的質(zhì)量m、帶電量q和加速器中的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B來決定． 1．回旋加速器：美國(guó)科學(xué)家勞倫斯于1932年制成了第一臺(tái)回旋加速器，其結(jié)構(gòu)如圖3-3-7所示，核心部件為兩個(gè)D形盒(加勻強(qiáng)磁場(chǎng))，其間的狹縫加加速電場(chǎng)． 圖3-3-7 2．磁場(chǎng)的作用：帶電粒子以某一速度從D形盒中心附近垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后，在洛倫茲力的作用

10、下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，帶電粒子每次進(jìn)入D形盒都運(yùn)動(dòng)相等的時(shí)間(半個(gè)周期)后平行電場(chǎng)方向進(jìn)入狹縫的電場(chǎng)．帶電粒子被加速后在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑增大，但周期卻不變．(如圖3-3-8所示) 圖3-3-8 3．電場(chǎng)的作用：回旋加速器的兩個(gè)D形盒之間的狹縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩個(gè)D形盒正對(duì)截面的勻強(qiáng)電場(chǎng)，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時(shí)被加速． 4．加速電壓的作用：為保證粒子每次經(jīng)過狹縫時(shí)都被加速，使之能量不斷提高，需在狹縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的加速電壓． 5．(多選)關(guān)于回旋加速器加速帶電粒子所獲得的能量，下列提供的選項(xiàng)正確的是(　　) A．與加速器的半徑有關(guān)，

11、半徑越大，能量越大 B．與加速器的磁場(chǎng)有關(guān)，磁場(chǎng)越強(qiáng)，能量越大 C．與加速器的電場(chǎng)有關(guān)，電場(chǎng)越強(qiáng)，能量越大 D．與帶電粒子的質(zhì)量與電荷量均有關(guān)，質(zhì)量和電荷量越大，能量越大 【解析】　帶電粒子在回旋加速器中最終獲得的動(dòng)能為Ek，由qvB＝m推得r＝，所以Ek＝，所以該能量與半徑有關(guān)，半徑越大，能量越大，所以選項(xiàng)A正確．同理與磁場(chǎng)也有關(guān)，選項(xiàng)B正確．雖然與質(zhì)量和電荷量有關(guān)，但是質(zhì)量和電荷量越大，能量卻不一定越大，所以選項(xiàng)D錯(cuò)誤．因?yàn)樵撃芰颗c電場(chǎng)無(wú)關(guān)，所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤． 【答案】　AB 6．(多選)用回旋加速器來加速質(zhì)子，為了使質(zhì)子獲得的動(dòng)能增加為原來的4倍，原則上可采用下列哪幾種方法(　

12、　) A．將其磁感應(yīng)強(qiáng)度增大為原來的2倍 B．將其磁感應(yīng)強(qiáng)度增大為原來的4倍 C．將D形金屬盒的半徑增大為原來的2倍 D．將D形金屬盒的半徑增大為原來的4倍 【解析】　由公式qvB＝m，得v＝，動(dòng)能增加為原來的4倍，速率增加為原來的2倍．故A、C正確． 【答案】　AC 7．如圖3-3-9所示，回旋加速器由兩個(gè)D形盒組成，在D形盒的縫隙處加加速電壓，整個(gè)裝置處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中．從O點(diǎn)射入的帶電粒子經(jīng)過電場(chǎng)加速和磁偏轉(zhuǎn)，反復(fù)運(yùn)動(dòng)，最終可以從邊緣由導(dǎo)出裝置導(dǎo)出．已知加速電壓的頻率等于粒子在磁場(chǎng)中回旋的頻率．試討論：粒子射出時(shí)速度vm的大小由哪些因素決定？ 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：18152072】 圖3-3-9 【解析】　只要粒子從D形盒邊緣被導(dǎo)出，那么，它最后半周應(yīng)滿足qvmB＝，即vm＝， 可見粒子射出時(shí)的最大速度vm與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B以及D形盒的半徑R有關(guān)，而與加速電壓U的大小無(wú)關(guān)(U≠0)． 【答案】　見解析 回旋加速器相關(guān)問題主要抓住兩點(diǎn)：一是旋轉(zhuǎn)頻率等于加速電壓的頻率，二是射出速度vm，由R＝得vm＝(R為D形盒半徑). 7