高中物理第三章磁场第5节洛伦兹力的应用.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第,5,节洛伦兹力应用,1/49,课堂探究,自主学习,达标测评,2/49,自主学习,课前预习,感悟新知,目标导航,(,教师参考,),重点,:,洛伦兹力应用,难点,:,质谱仪、盘旋加速器等工作原理,3/49,教材梳理,一、利用磁场控制带电粒子运动,设在真空条件下,匀强磁场限定在一个圆形区域内,磁场区域半径为,r,磁感应强度大小为,B,方向如图所表示,.,一个初速度大小为,v,0,带正电粒子,(m,q),沿磁场区域直径方向从,P,点射入磁场,设粒子射出磁场时速度方向与射入磁场时相比偏转了,角,.,1.,由图中几何关系,tan .,2.,因为,qv,0,B=,可知匀速圆周运动半径,R=,由此,可知,tan =,.,3.,结论,:,对于一定带电粒子,(m,q,一定,),可经过调整,和,大小来控制粒子偏转角度,.,B,v,0,4/49,想一想,电视机显像管中电子束偏转原理和示波管中电子束偏转原理一样吗,?,答案,:,电视机显像管应用了电子束磁偏转原理,而示波管中电子束则是在电场中偏转,是电偏转原理,.,二、质谱仪,1.,比荷,:,带电粒子,与,之比,叫比荷,(,也叫荷质比,).,2.,质谱仪,(1),原理,:,电荷量,质量,5/49,qvB,1,(2),用途,:,测定带电粒子,.,检测,或核物质中,和不一样成份,.,荷质比,化学物质,同位素,6/49,想一想,质谱仪分析同位素原理是什么,?,答案,:,因为同位素是质量有微小差异同种元素,当形成带电粒子时其电荷量相同,经同一电场加速垂直进入同一匀强磁场中偏转时经半个周期打在底片上,其落点与进入点间距离,x=2r=,由此知,m,不一样,x,会不一样,测量出,x,关系即可确定同位素质量差异,.,7/49,三、盘旋加速器,1.,结构,:,如图所表示,D,1,D,2,是半圆金属盒,两,D,形盒缝隙处接,电源,D,形盒处于匀强磁场中,.,2.,原理,:,交流电源在,D,形盒缝隙处形成交变电场与粒子做圆周运动周,期,粒子在圆周运动过程一次一次地经过,D,形盒缝隙,粒子被一次一次地加速,由,qvB=,得粒子最大速度,v,m,=,最大动能,E,km,=,可见粒子取得最大动能由磁感应强度,B,和,D,形盒半径,R,决定,与加速电压无关,.,交流,相同,8/49,想一想,教材,P,101,图,3-5-4,中,盘旋加速器两端所加交流电压周期由什么决定,?,答案,:,为确保每次带电粒子经过狭缝时均被加速,交流电压周期必须等于带电粒子在盘旋加速器中做匀速圆周运动周期,即,T=.,交流电压周期由,q,m,B,来决定,.,9/49,1.,沿半径方向射入圆形磁场粒子一定沿半径方向离开磁场,.(,),2.,带电粒子在磁场中偏转时,只改变速度方向而不改变速度大小,.(,),3.,速度选择器只选择粒子速度,与粒子质量、电荷量、电性无关,.(,),4.,应用质谱仪能够测定带电粒子比荷,.(,),5.,盘旋加速器中粒子速度增大,运动周期也增大,.(,),思索判断,答案,:,1.,2.,3.,4.,5.,10/49,关键点一,带电粒子在有界匀强磁场中运动,课堂探究,关键导学,关键点探究,【,问题导学,】,带电粒子在有界匀强磁场中运动时怎样依据轨迹找到粒子做匀速圆周运动圆心,?,答案,:,在轨迹上找出两点,若两点速度方向确定,则作两速度方向垂线,其交点即为圆心,;,若知其一点速度方向,可作两点连线中垂线和另一点速度方向垂线,交点即为圆心,.,11/49,【,关键点归纳,】,1.,带电粒子在有界磁场中圆周运动几个常见情形,(1),直线边界,(,进出磁场含有对称性,如图所表示,),(2),平行边界,(,存在临界条件,如图所表示,),12/49,(3),圆形边界,(,沿径向射入必沿径向射出,如图所表示,),2.,带电粒子在有界磁场中运动,往往出现临界条件,能够经过对轨迹圆放大方法找到相切点如上面,(2),中,(c),图,.,注意找临界条件挖掘隐含条件,.,13/49,【,例,1】,(,济宁高二检测,),如图所表示,条形区域,AABB,中,存在方向垂直于纸面向外匀强磁场,磁感应强度,B=0.3 T,AA,BB,为磁场边界,它们相互平行,条形区域长度足够长,宽度,d=,1 m.,一束带正电某种粒子从,AA,上,O,点以沿着与,AA,成,60,角、大小不一样速度射入磁场,当粒子速度小于某一值,v,0,时,粒,子在磁场区域内运动时间均为,t,0,=410,-6,s;,当粒子速度为,v,1,时,刚好垂直边界,BB,射出磁场,.,取,3,不计粒子所受重力,.,求,:,(1),粒子比荷,;,(2),速度,v0,和,v1,大小,.,关键点拨,从,AA,边离开粒子在磁场中运动时间相同,.,速度增大,轨道半径增大,当速度为,v,0,时,运动轨迹和,BB,相切,.,14/49,解析,:,(1),当粒子速度小于某一值,v,0,时,粒子不能从,BB,离开磁场区域,只能从,AA,边离开,不论粒子运动速度多大,在磁场中运动时间相同,轨迹如图所表示,(,图中只画了一个粒子轨迹,).,答案,:,(1)3.310,6,C/kg,(2)6.610,5,m/s,2.010,6,m/s,15/49,规律方法,带电粒子在有界磁场中运动处理方法,带电粒子在有界匀强磁场中运动,有时会出现临界,(,极值,),问题,.,分析该类题目标关键是找出临界,(,极值,),条件,而分析临界,(,极值,),条件方法是以题目中“恰好”“最大”“最少”等词语为突破口,挖掘隐含条件,分析可能情况,.,必要时画几个不一样半径圆周轨迹,就能顺利地找到临界条件,.,16/49,(,教师备用,),例,1-1,:,如图所表示,a,点距坐标原点距离为,L,坐标平面内有边界过,a,点和坐标原点,O,最小圆形匀强磁场区域,磁场方向垂直坐标平面向里,.,有一电子,(,质量为,m,、电荷量为,e),从,a,点以初速度,v,0,平行,x,轴正方向射入磁场区域,在磁场中运行,从,x,轴上,b,点,(,图中未画出,),射出磁场区域,此时速度方向与,x,轴正方向之间夹角为,60.,求,:,(1),磁场磁感应强度,;,解析,:,依据题意圆形磁场区域和电子运动轨迹如图,.,(1),由几何关系可得圆形磁场区域半径,r=L,电子运动轨迹半径,R=2L,则由,ev,0,B=,得,B=.,答案,:,(1),17/49,(2),磁场区域圆心,O1,坐标,;,(3),电子在磁场中运动时间,.,答案,:,(2)(L,L),(3),18/49,针对训练,1-1,:,(,多项选择,),长为,l,水平极板间有垂直纸面向里匀强磁场,磁感应强度为,B,板间距离也为,l,板不带电,.,现有质量为,m,、电荷量为,q,带正电粒子,(,不计重力,),从左边极板间中点处垂直磁感线以速度,v,水平射入磁场,如图所表示,欲使粒子不打在极板上,可采取方法是,(,),AB,19/49,20/49,关键点二,洛伦兹力在实际中应用,【,问题导学,】,速度选择器、磁流体发电机中,当粒子稳定运动时,其受力有何特点,?,答案,:,粒子受电场力和洛伦兹力,稳定时电场力与洛伦兹力大小相等,.,21/49,【,关键点归纳,】,1.,速度选择器,(1),速度选择,:,由,qE=qvB,得,v=,只有满足,v=,粒子才能,从速度选择器中被选择出来,.,(2),特点,:,速度选择器只选择速度,(,大小、方向,),而不选择粒子质量和电荷量,若粒子从另一侧入射则不能穿出速度选择器,.,2.,对质谱仪了解,(1),速度选择器只选择粒子速度,(,大小和方向,),而不选择粒子质量、电荷量和电性,.,(2),从狭缝之间电场加速粒子电性是固定,所以进入偏转磁场空间粒子电性也是固定,.,(3),打在底片上同一位置粒子,只能判断其 是相同,不能确定其质量或电荷量一定相同,.,22/49,3.,盘旋加速器,(1),在盘旋加速器中粒子速度逐步增大,但粒子在磁场中做匀速圆周运动周期,T=,一直不变,.,23/49,4.,磁流体发电机,(1),原理如图所表示,将等离子体喷入磁场,正、负离子在洛伦兹力作用下发生上下偏转而聚集到,A,B,板上,产生电势差,.,(2),电动势和内电阻,:,设,A,B,平行金属板面积为,S,相距,l,等离子体电阻率为,喷入速度为,v,板间磁场磁感应强度为,B,当,q =qvB,时,U=Blv,即电动势,E=Blv,、内电阻,r=.,(3),极性,:,连接,B,板电极为正极,连接,A,板电极为负极,.,24/49,5.,霍尔效应,如图所表示,厚度为,h,宽度为,d,导体板放在垂直于它,磁感应强度为,B,匀强磁场中,.,当电流按如图方向经过,导体板时,在导体板上侧面,A,和下侧面,A,之间会产生,电势差,这种现象称为霍尔效应,.,试验表明,当磁场不太强时,电势差,U,、电流,I,和,B,关系为,U=k ,式中百分比系数,k,称为霍尔系数,.,霍尔效应可解释以下,:,外部磁场洛伦兹力使运动电子聚集在导体板一侧,在导体板另一侧会出现多出正电荷,从而形成横向电场,.,横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反电场力,.,当电场力与洛伦兹力到达平衡时,导体板上下两侧面之间就会形成稳定电势差,.,由,U=k,可得,B=,这也是一个测量磁感应强度,B,方法,.,25/49,6.,电磁流量计,(1),原理,如图所表示是电磁流量计示意图,在非磁性材料做成圆管道外加一匀强磁场区域,当管中导电液体流过此磁场区域时,测出管壁上,a,b,两点间电势差,U,就能够知道管中液体流量,Q(m,3,/s),单位时间内流过液体体积,.,(2),流量计算,26/49,【,例,2】,盘旋加速器是加速带电粒子装置,其关键部分是分别与高频交流电极相连接两个,D,形金属盒,两盒间狭缝中形成周期性改变电场,使粒子在经过狭缝时都能得到加速,两,D,形金属盒处于垂直于盒底匀强磁场中,如图所表示,要增大带电粒子射出时动能,可行方法是,(,),A.,只增大加速电压,B.,只减小磁场磁感应强度,C.,只增加周期性改变电场频率,D.,只增大,D,形金属盒半径,D,27/49,误区警示,处理盘旋加速器题目易出现问题,粒子取得最大动能与加速电压无关,假如加速电压低,粒子会在,D,形金属盒中转过更多圈数,被加速次数更多,但最终射出时最大半径仍为,R.,假如加速电压高,粒子在磁场中转过圈数会降低,被加速次数也会降低,最终射出时最大半径还是,R.,28/49,(,教师备用,),例,2-1:,(,多项选择,),用来加速带电粒子盘旋加速器,其关键部分是两个,D,形金属盒,.,在加速带电粒子时,两金属盒置于匀强磁场中,两盒分别与高频电源相连,带电粒子在磁场中运动动能,E,k,随时间,t,改变规律如图所表示,.,忽略带电粒子在电场中加速时间,则以下判断正确是,(,),A.,伴随粒子动能变大,应有,(t,2,-t,1,)(t,3,-t,2,)(t,4,-t,3,),B.,高频电源改变周期应该等于,(t,n,-t,n-1,),C.,高频电源改变周期应该等于,2(t,n,-t,n-1,),D.,要想粒子取得最大动能增大,可增加,D,形盒半径,CD,29/49,解析,:,由图可知粒子在单个,D,形盒内运动时间为,t,n,-t,n-1,因为在磁场中粒子运动周期与速度无关,所以,t,2,-t,1,=t,3,-t,2,=t,4,-t,3,选项,A,错误,;,高频电源改变周期为,2(t,n,-t,n-1,),选项,B,错误,C,正确,;,粒子从,D,形盒边缘射出时动能最大,此时速率,v=,增大,D,形盒半径,R,可增大粒子最大速率,选项,D,正确,.,30/49,针对训练,2-1:,(,多项选择,),如图所表示,盘旋加速器与交流电源相连,匀强磁场垂直于,D,形盒,以下说法正确是,(,),A.,粒子每经过一次加速,在,D,形盒中运动轨道半径便增大一些,B.,粒子每经过一次加速,在,D,形盒中运动半个圆周时间变长,C.,仅增大交流电源电压,粒子射出,D,形盒时动能增大,D.,仅增大交流电源电压,粒子射出,D,形盒时动能不变,AD,31/49,针对训练,2-2:,(,多项选择,),若速度相同一束粒子由左端射入质谱仪后运动轨迹如图所表示,则以下相关说法中正确是,(,),A.,速度选择器,P,1,极板带负电,P,2,极板带正电,B.,粒子在,B,2,磁场中运动半径不一样,运动时间也不相同,C.,粒子在,B,2,磁场中运动半径不一样,说明离开速度选择器时速度大小不一样,D.,在,B,2,磁场中运动半径越大粒子,荷质比 越小,BD,32/49,关键点三,带电粒子在匀强磁场中运动多解问题,【,问题导学,】,带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,哪些原因影响洛伦兹力方向,?,答案,:,(1),带电粒子带电性质,;(2),带电粒子运动方向,;(3),磁场方向,.,33/49,【,关键点归纳,】,1.,带电粒子电性不确定形成多解,受洛伦兹力作用带电粒子,可能带正电,也可能带负电,在相同初速度条件下,正负粒子在磁场中运动轨迹不一样,形成多解,.,图,(,甲,),中,带电粒子以速率,v,垂直进入匀强磁场,如带正电,其轨迹为,a,如带负电,其轨迹为,b.,2.,磁场方向不确定形成多解,有些题目只告诉了磁感应强度大小,而未详细指出磁感应强度方向,此时必须要考虑磁感应强度方向不确定而形成多解,.,图,(,乙,),中,带正电粒子以速率,v,垂直进入匀强磁场,如,B,垂直纸面向里,其轨迹为,a,如,B,垂直纸面向外,其轨迹为,b.,34/49,【,关键点归纳,】,3.,临界状态不唯一形成多解,带电粒子在洛伦兹力作用下飞越有界磁场时,因为粒子运动轨迹是圆弧状,所以,它可能从磁场另一侧飞出,也可能从入射界面反向飞出,如图,(,丙,),所表示,于是形成了多解,.,4.,运动往复性形成多解,带电粒子在部分是电场,部分是磁场空间运动时,运动往往含有往复性,从而形成多解,.,如图,(,丁,),所表示,.,35/49,【,例,3】,一质量为,m,、电荷量为,q,带负电粒子,从,A,点射入宽度为,d,、磁感应强度为,B,匀强磁场,MN,PQ,为该磁场边界限,磁感线垂直于纸面向里,磁场区域足够长,.,带电粒子射入时初速度与,PQ,成,45,角,且粒子恰好没有从,MN,边界射出,.(,不计粒子所受重力,),求,:,(1),该带电粒子初速度大小,;,答案,:,看法析,36/49,(2),该带电粒子从,PQ,边界上射出点到,A,点距离,x.,答案,:,看法析,37/49,(,教师备用,),例,3-1:,如图所表示,初速度为零负离子经电势差为,U,电场加速后,从离子枪,T,中水平射出,经过一段旅程后进入水平放置两平行金属板,MN,和,PQ,之间,离子所经空间存在着垂直纸面向里磁感应强度为,B,匀强磁场,.,不考虑重力作用,离子比荷,q/m,在什么范围内,离子才能打在金属板上,?,38/49,答案,:,39/49,针对训练,3-1:,如图所表示,第一象限范围内有垂直于,xOy,平面匀强磁场,磁感应强度为,B.,质量为,m,电荷量大小为,q,带电粒子,(,重力不计,),在,xOy,平面里经原点,O,射入磁场中,初速度,v,0,与,x,轴夹角,=60,试分析计算,:,40/49,(1),带电粒子从何处离开磁场,?,穿越磁场时运动方向发生偏转角多大,?,答案,:,看法析,解析,:,若带电粒子带负电,进入磁场后做匀速圆周运动,圆心为,O,1,粒子向,x,轴偏转,并从,A,点离开磁场,;,若带电粒子带正电,进入磁场后做匀速圆周运动,圆心为,O,2,粒子向,y,轴偏转,并从,B,点离开磁场,.,不论粒子带何种电荷,其运动轨道半径均为,41/49,(2),带电粒子在磁场中运动时间多长,?,答案,:,看法析,42/49,达标测评,随堂演练,检测效果,1.,(,南宁模拟,),在盘旋加速器中,带电粒子在“,D”,形金属盒内经过半个圆周所需时间与以下物理量无关是,(,),A.,带电粒子运动轨道半径,B.,带电粒子电荷量,C.,带电粒子质量,D.,加速器磁感应强度,A,43/49,解析,:,由,r=,得,当,r,q,B,相同时,mv,乘积大小相同,但,m,不一定相同,v,也不一定相同,故选项,A,B,D,错误,C,正确,.,2.,如图所表示,ab,是一弯管,其中心线是半径为,R,一段圆弧,将它置于一给定匀强磁场中,磁场方向垂直于圆弧所在平面,并指向纸外,.,有一束粒子对准,a,端射入弯管,粒子有不一样速度,不一样质量,但都是一价正离子,.,则,(,),A.,只有速度大小一定粒子能够沿中心线经过弯管,B.,只有质量大小一定粒子能够沿中心线经过弯管,C.,只有,mv,乘积大小一定粒子能够沿中心线经过弯管,D.,只有能量大小一定粒子能够沿中心线经过弯管,C,44/49,3.,电子以垂直于匀强磁场速度,v,从,a,点进入长为,d,、宽为,L,磁场区域,偏转后从,b,点离开磁场,如图所表示,若磁场磁感应强度为,B,那么,(,),A.,电子在磁场中运动时间,t=d/v,B.,电子在磁场中运动时间,t=/v,C.,洛伦兹力对电子做功是,W=BevL,D.,电子在,b,点速度大于,v,B,解析,:,电子在磁场中做匀速圆周运动,速度大小不变,洛伦兹力不做功,.,运动时间为,t=,选项,B,正确,.,45/49,4.,(,多项选择,),如图所表示,有一混合正离子束先后经过正交电磁场区域,和匀强磁场区域,假如这束正离子束在区域,中不偏转,进入区域,后偏转半径,R,相同,则它们含有相同,(,),A.,电荷量,B.,质量,C.,速度,D.,比荷,解析,:,正交电磁场区域,实际上是一个速度选择器,这束正离子在区域,中均不偏转,说明它们含有相同速度,.,在区域,中半径相同,R=,所以它们应含有相同比荷,.,选项,C,D,正确,.,CD,46/49,5.,如图为质谱仪示意图,.,速度选择部分匀强电场电场强度,E=1.210,5,V/m,匀强磁场磁感应强度为,B,1,=0.6 T.,偏转分离器磁感应强度为,B,2,=0.8 T.,求,:,(1),能经过速度选择器粒子速度有多大,?,答案,:,(1)210,5,m/s,47/49,(2),质子和氘核,(,氘核质量是质子质量,2,倍,),进入偏转分离器后打在底片上条纹之间距离,d,为多少,?(,已知质子质量为,1.6610,-27,kg,电荷量为,1.610,-19,C),答案,:,(2)5.210,-3,m,48/49,谢谢观赏！,49/49,