高中物理選修3-1第1部分 第三章《磁場(chǎng)》第5節(jié) 洛倫茲力的應(yīng)用 教科

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歡迎進(jìn)入物理課堂 第三章 第5節(jié) 理解教材新知 把握熱點(diǎn)考向 應(yīng)用創(chuàng)新演練 知識(shí)點(diǎn)一 知識(shí)點(diǎn)二 知識(shí)點(diǎn)三 考向一 考向三 隨堂基礎(chǔ)鞏固 課時(shí)跟蹤訓(xùn)練 考向二 1 帶電粒子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力作用 利用磁場(chǎng)可以控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向 但不能改變帶電粒子的速度大小 2 回旋加速器由兩個(gè)D形盒組成 帶電粒子在D形盒中做圓周運(yùn)動(dòng) 每次在兩D形盒之間的窄縫區(qū)域被電場(chǎng)加速 加速電場(chǎng)的周期與粒子運(yùn)動(dòng)周期相同 3 質(zhì)譜儀把比荷不相等的粒子分開 并按比荷順序的大小排列 故稱之為 質(zhì)譜 自學(xué)教材 1 實(shí)例如圖3 5 1所示為一具有圓形邊界 半徑為r的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B 一個(gè)初速度大小為v0的帶電粒子 m q 沿該磁場(chǎng)的直徑方向從P點(diǎn)射入 在作用下從Q點(diǎn)離開磁場(chǎng) 圖3 5 1 洛倫茲力 圓心 B v0 方向 大小 重點(diǎn)詮釋 1 電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn) 1 電偏轉(zhuǎn) 利用電場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷施加電場(chǎng)力作用 從而控制其運(yùn)動(dòng)方向 2 磁偏轉(zhuǎn) 利用磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷施加洛倫茲力作用 從而控制其運(yùn)動(dòng)方向 2 電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)的對(duì)比 1 2012 新泰高二檢測(cè) 一個(gè)帶電粒子以初速度v0垂直于電場(chǎng)方向向右射入勻強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域 穿出電場(chǎng)后接著又進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域 設(shè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)區(qū)域有明確的分界線 且分界線與電場(chǎng)強(qiáng)度方向平行 如圖3 5 2中的虛線所示 不計(jì)帶電粒子的重力 在圖3 5 2所示的幾種情況中 可能出現(xiàn)的是 圖3 5 2 解析 A C選項(xiàng)中粒子在電場(chǎng)中向下偏轉(zhuǎn) 所以粒子帶正電 再進(jìn)入磁場(chǎng)后 A圖中粒子應(yīng)逆時(shí)針轉(zhuǎn) 正確 C圖中粒子應(yīng)順時(shí)針轉(zhuǎn) 錯(cuò)誤 同理可以判斷B錯(cuò) D對(duì) 答案 AD 自學(xué)教材 1 比荷帶電粒子的電荷量與質(zhì)量之比 也叫 2 質(zhì)譜儀測(cè)定帶電粒子的儀器 荷質(zhì)比 荷質(zhì)比 3 構(gòu)造如圖3 5 3所示 主要由離子源 S1上方 圖中未畫出 加速電場(chǎng) 狹縫S1與S2之間的電場(chǎng) 速度選擇器 S2與S3之間的裝置 偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)B2和照相底片等組成 圖3 5 3 重點(diǎn)詮釋 2 2012 溫州高二檢測(cè) 如圖3 5 4所示 在M N兩極板間有相互正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng) 一束離子沿平行于極板方向進(jìn)入兩板間沿直線運(yùn)動(dòng) 然后進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)內(nèi)做半徑相同的勻速圓周運(yùn)動(dòng) 則這束離子必定具有相同的 圖3 5 4 A 速度B 電性C 質(zhì)量D 比荷 答案 AD 1 構(gòu)造 1 核心部分 兩個(gè)D形盒 中間留有窄縫 裝在巨大電磁鐵之間的真空容器里 如圖3 5 5所示 自學(xué)教材 2 粒子源 放于窄縫中心附近 3 磁場(chǎng) 方向垂直于金屬盒底面 4 電場(chǎng) 兩盒分別接在周期性變化的交流電源的兩極上 窄縫中形成方向可變的加速電場(chǎng) 方向垂直于窄縫 圖3 5 5 2 工作原理如圖3 5 6所示 1 磁場(chǎng)作用 帶電粒子磁場(chǎng)方向射入磁場(chǎng)時(shí) 只在洛倫茲力作用下做 其周期與和無關(guān) 2 交變電壓的作用 在兩D形盒狹縫間產(chǎn)生周期性變化的 使帶電粒子每經(jīng)過一次狹縫加速一次 3 交變電壓的周期 或頻率 與帶電粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期 或頻率 圖3 5 6 垂直 勻速圓周運(yùn)動(dòng) 半徑 速率 電場(chǎng) 相同 重點(diǎn)詮釋 3 1930年勞倫斯制成了世界上第一臺(tái)回旋加速器 其原理如圖3 5 7所示 這臺(tái)加速器由兩個(gè)銅質(zhì)D形盒D1 D2構(gòu)成 其間留有空隙 下列說法正確的是 A 離子由加速器的中心附近進(jìn)入加速器B 離子由加速器的邊緣進(jìn)入加速器C 離子從磁場(chǎng)中獲得能量D 離子從電場(chǎng)中獲得能量 圖3 5 7 解析 離子從中心附近進(jìn)入回旋加速器 通過電場(chǎng)加速做功 在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn) 最后高速飛出加速器 故A D正確 答案 AD 例1 如圖3 5 8所示 勻強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域和勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域是緊鄰的 且寬度相等均為d 電場(chǎng)方向在紙平面內(nèi) 而磁場(chǎng)方向垂直紙面向里 一帶正電粒子從O點(diǎn)以速度v0沿垂直電場(chǎng)方向進(jìn)入電場(chǎng) 在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn) 從A點(diǎn)離開電場(chǎng)進(jìn)入磁場(chǎng) 離開電場(chǎng)時(shí)帶電粒子在電場(chǎng)方向的位移為電場(chǎng)寬度的一半 當(dāng)粒子從C點(diǎn)穿出磁場(chǎng)時(shí)速度方向與進(jìn)入電場(chǎng)O點(diǎn)時(shí)的速度方向一致 帶電粒子重力不計(jì) 求 圖3 5 8 1 粒子從C點(diǎn)穿出磁場(chǎng)時(shí)的速度v 2 電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的比值E B 3 粒子在電 磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間 審題指導(dǎo) 解答本題時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn) 1 粒子在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng) 2 粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 1 對(duì)于帶電粒子在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)問題 一般從分析沿電場(chǎng)方向的勻加速直線運(yùn)動(dòng)和垂直于電場(chǎng)方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)來解決問題 2 對(duì)于帶電粒子在磁場(chǎng)中的勻速圓周運(yùn)動(dòng)問題 一般要分析運(yùn)動(dòng)軌跡 找圓心 求半徑 分析圓心角 列相關(guān)方程解決問題 圖3 5 9 答案 C 例2 2012 棗莊高二檢測(cè) 如圖3 5 10所示為某種質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖 其中加速電場(chǎng)的電壓為U 靜電分析器中與圓心O1等距各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小相同 方向沿徑向指向圓心O1 磁分析器中在以O(shè)2為圓心 圓心角為90 的扇形區(qū)域內(nèi) 分布著方向垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 其左邊界與靜電分析器的右邊界平行 由離子源發(fā)出一質(zhì)量為m 電荷量為q的正離子 初速度為零 重力不計(jì) 經(jīng)加速 電場(chǎng)加速后 從M點(diǎn)沿垂直于該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)方向進(jìn)入靜電分析器 在靜電分析器中 離子沿半徑為R的四分之一圓弧軌跡做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 并從N點(diǎn)射出靜電分析器 而后離子由P點(diǎn)沿著既垂直于磁分析器的左邊界 又垂直于磁場(chǎng)方向射入磁分析器中 最后離子沿垂直于磁分析器下邊界的方向從Q點(diǎn)射出 并進(jìn)入收集器 測(cè)量出Q點(diǎn)與圓心O2的距離為d 圖3 5 10 1 試求靜電分析器中離子運(yùn)動(dòng)軌跡處電場(chǎng)強(qiáng)度E的大小 2 試求磁分析器中磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小和方向 審題指導(dǎo) 解答本題時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn) 1 在靜電分析器中 電場(chǎng)力提供離子做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力 2 在磁分析器中 洛倫茲力提供離子做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力 質(zhì)譜儀的原理中包括粒子的加速 力的平衡 速度選擇器 牛頓第二定律和勻速圓周運(yùn)動(dòng)等知識(shí) 分析粒子的運(yùn)動(dòng)過程 建立各運(yùn)動(dòng)階段的模型 理清各運(yùn)動(dòng)階段之間的聯(lián)系 是解決此類問題的關(guān)鍵 如果離子的質(zhì)量為0 9m 電量仍為q 其他條件不變 那么這個(gè)離子射出電場(chǎng)和磁場(chǎng)的位置是否變化 請(qǐng)通過分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)說明你的結(jié)論 答案 見解析 例3 如圖3 5 11所示 回旋加速器D形盒的最大半徑為R 勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直穿過D形盒面 兩D形盒的間隙為d 一質(zhì)量為m 帶電荷量為q的粒子每經(jīng)過間隙時(shí)都被加速 加速電壓大小為U 粒子從靜止開始經(jīng)多次加速 當(dāng)速度達(dá)到v時(shí) 粒子從D形盒的邊緣處射出 求 圖3 5 11 1 磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小 2 帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的圈數(shù)n 3 粒子在磁場(chǎng)和電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間t 思路點(diǎn)撥 根據(jù)洛倫茲力公式可確定磁感應(yīng)強(qiáng)度 由動(dòng)能定理可求得電子被加速的次數(shù) 進(jìn)而求出其運(yùn)動(dòng)周期 還要注意粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間 2 一個(gè)用于加速質(zhì)子的回旋加速器 其核心部分如圖3 5 12所示 D形盒半徑為R 垂直D形盒底面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 兩盒分別與交流電源相連 下列說法正確的是 A 質(zhì)子被加速后的最大速度隨B R的增大而增大B 質(zhì)子被加速后的最大速度隨加速電壓的增大而增大C 只要R足夠大 質(zhì)子的速度可以被加速到任意值D 不需要改變?nèi)魏瘟?這個(gè)裝置也能用于加速 粒子 圖3 5 12 答案 A 點(diǎn)擊下圖片進(jìn)入 隨堂基礎(chǔ)鞏固 點(diǎn)擊下圖片進(jìn)入 課時(shí)跟蹤訓(xùn)練 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全