63洛伦兹力应用课程打印时.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,2019/12/4,#,课标定位,教学,目标：,1.,知道洛伦兹力对运动电荷不做功，只改变速度的方向，不改变速度的大小,2,会用公式,F,Bq,v,推导带电粒子做匀速圆周运动的半径、周期公式，并能解,决有关问题,3,知道回旋加速器、质谱仪的基本构造、原理及基本用途,重点难点：,1.,带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动,2,带电粒子在匀强磁场中运动问题的分析方法,6.3,洛伦兹力的,应用,(,第,2,课时）,一,.,速度选择器,在电、磁场中，若不计重力，则：,1.,速度选择器只选择速度，与电荷的正负无关；,2.,注意电场和磁场的方向搭配。,v,第,2,课时：,U,0,d,0,速度选择器：,（,1,）任何一个正交的匀强磁场和匀强电场组成速度选择器。,（,2,）带电粒子必须以唯一确定的速度（包括大小、方向）才能匀速（或者说沿直线）通过速度选择器。否则将发生偏转。即有确定的入口和出口。,（,3,）速度选择器只选择速度,(,大小、方向,),而不选择粒子的质量和电量，若粒子从另一方向入射则不能穿出速度选择器,若速度小于这一速度，电场力将大于洛伦兹力，带电粒子向电场力方向偏转，电场力做正功，动能将增大，洛伦兹力也将增大，粒子的轨迹既不是抛物线，也不是圆，而是一条复杂曲线；若大于这一速度，将向洛伦兹力方向偏转，电场力将做负功，动能将减小，洛伦兹力也将减小，轨迹是一条复杂曲线。,练习,:,在两平行金属板间有正交的匀强电场和匀强磁场，一个带电粒子垂直于电场和磁场方向射入场中，射出时粒子的动能减少了，为了使粒子射出时动能增加，在不计重力的情况下，可采取的办法是：,A.,增大粒子射入时的速度,B.,减小磁场的磁感应强度,C.,增大电场的电场强度,D.,改变粒子的带电性质,BC,离子源,加速电场,磁场,感光底片,速度选择器,质谱线：,2,质谱仪的原理,:,如图，离子源,产生质量为,m,、电荷量为,q,的正,离子,(,所受重力不计,),离子出来时速度很小,(,可忽略不计,),，经过,电压为,U,的电场加速后进入速度选择器,，速度相等的离子从,狭缝,S,飞出，然后进入磁感应强度为,B,2,的匀强磁场中做匀速圆,周运动，经过半个周期到达记录它的照相底片,D,上，测得它在,D,上的位置到入口处的距离为,L,，则,:,因此，只要知道,q,、,B,、,L,与,U,，就可计算出带电粒子的质量,m,.,又因,m,L,2,，不同质量的同位素从不同处可得到分离，故质谱仪又是分离同位素的重要仪器,3,用途：质谱仪是利用磁场和电场的组合来达到把电荷量相等但质量不同的粒子分离开来的一种仪器，是研究同位素的重要工具，也是测定离子比荷的仪器,例：,(,台州高二检测）如图所示，,MN,表示真空室中垂直于纸面放置的感光板，它的一侧有匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁感应强度大小为,B.,一个电荷量为,q,的带电粒子从感光板上的狭缝,O,处以垂直于感光板的初速度,v,射入磁场区域，最后到达感光板上的,P,点,.,经测量,P,、,O,间的距离为,l,，不计带电粒子受到的重力,.,求：,（,1,）带电粒子所受洛伦兹力的大小；,（,2,）带电粒子的质量,.,【,解析,】,（,1,）由洛伦兹力公式得：,f,qvB,（,2,）由洛伦兹力提供向心力得,qvB,由题意得,r,由以上各式可得粒子的质量为,答案：,（,1,）,qvB (2),有强度为,B,0,的匀强磁场下列表述正确的是,(,),例,(,双选,),图,3,6,6,是质谱仪的工作原理示意图带,电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器速度选择器内相,互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为,B,和,E,.,平板,S,上有,可让粒子通过的狭缝,P,和记录粒子位置的胶片,A,1,A,2,.,平板,S,下方,A,质谱仪是分析同位素的重要工具,B,速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里,C,能通过狭缝,P,的带电粒子的速率,等于,D,粒子打在胶片上的位置越靠近 狭缝,P,，粒子的荷质比越小,，所以 ,m B,0,R,有,v,，,C,正确在匀强磁场,B,0,中,R,q,v,解析：,因同位素原子的化学性质完全相同，无法用化学方,法进行分析，故质谱仪就成为同位素分析的重要工具，,A,正确,在速度选择器中，带电粒子所受电场力和洛伦兹力在粒子沿直,线运动时应等大反向，结合左手定则可知,B,错误再由,qE,q,v,B,E,B,m,v,qB,0,，,D,错误,答案,：,AC,【,触类旁通,】,如图,3,6,7,所示为质谱仪的原理图，,A,为粒子加速器；,B,为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为,B,1,，其两板,间的电压为,U,2,，距离为,d,；,C,为偏转分离器，磁感应强度为,B,2,.,现有一质量为,m,、电荷量为,q,的正离子经加速后，恰好通过速,度选择器，进入分离器后做半径为,R,的匀,速圆周运动，求：,(1),离子进入偏转分离器的速度,v,；,(2),离子加速器的电压,U,1,；,(3),离子在,B,2,磁场中做匀速圆周运,动的半径,R,.,图,3,6,7,mU,2,qB,1,B,2,d,解：,(1),粒子在速度选择器中做匀速直线运动，由电场力,与洛伦兹力平衡得,q,qvB,1,U,d,所以,v,U,2,B,1,d,.,(2),粒子经加速电场,U,1,加速，获得速度,v,，由动能定理得,qU,1,mv,2,(3),粒子在,B,2,中做圆周运动，洛,伦兹力提供向心力，有,q,v,B,2,m,v,2,R,所以,R,.,1,2,三加速类型及原理演示,直线加速,回旋加速,U,U,U,U,U,U,三,.,回旋加速器,离子由中心进入回旋加速器,美国物理学家,劳伦斯,制造了第一台回旋加速器，获得了,1939,年的诺贝尔物理学奖,1,构造：回旋加速器的核心部分是放置,在磁场中的两个,D,形的金属扁盒,(,如图,3,6,8,所示,),，其基本组成为：,_,，,_,，,_,，,_,，,_.,粒子源,两个,D,形金属盒,匀强磁场,高频电源,粒子引出装置,2,回旋加速器原理：交流电周期和粒子做圆周运动的周期,相同,，粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过,D,形盒缝隙，两盒间的电势差一次一次地反向，粒子就会被一次一次地加速,回旋加速器,1,电、磁场的作用,(1),磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，并在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期和速率、半径均无关，带电粒子每次进入,D,形盒都运动相等的时间,(,半个周期,),后平行电场方向进入电场中加速,(2),电场的作用：回旋加速器的两个,D,形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两,D,形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速,回旋加速器,思考,1:,在上述加速器中，,v,变大,r,增大，,T,会否变化？,思考,2,：若要使每次电荷经过空隙都恰能被加速，交变电流的,频率有何要求？,思考,3,如果,D,形盒半径为,R,，磁场磁感应强度为,B,，则这个加,速器能把质量为,m,、电荷量为,q,的带电粒子加速到多大,的速度？,思考感悟：,回旋加速器所加速的粒子的最大速度由电场决定吗？,提示：,不是，粒子是在洛伦兹力作用下做圆周运动，半径越大，说明速度越大，因此最大速度由,D,形盒半径决定,例,.1930,年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图,6,3,6,所示这台加速器由两个铜质,D,形盒,D,1,、,D,2,构成，其间留有空隙下列说法正确的是,(,),离子由加速器的中心附近进入加速器,离子由加速器的边缘进入加速器,离子从磁场中获得能量,离子从电场中获得能量,A,B,C,D,解析：,选,B.,回旋加速器对离子加速时，离子是由加速器的中心附近进入加速器的，故,正确，,错误；离子在磁场中运动时，洛伦兹力不做功，所以离子的能量不变，故,错误；,D,形盒,D,1,、,D,2,之间存在交变电场，当离子通过交变电场时，电场力对离子做正功，离子的能量增加，所以离子的能量是从电场中获得的，,正确；选项,B,正确,例：,回旋加速器是用于加速带电粒子流，使之获得很大动能的仪器，其核心部分是两个,D,形金属扁盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接，以便在盒间狭缝中形成匀强电场，使粒子每穿过狭缝都得到加速；两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面,粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出粒子电量为,q,，质量为,m,，粒子最大回旋半径为,R,m,，其运动轨迹如图,6,3,9,所示，问,：,(1),粒子在盒内做何种运动？,(2),粒子在两盒间狭缝内做何种运动？,(3),所加交变电压频率为多大？粒子运动角速度多大？,(4),粒子离开加速器时速度多大？,四,:,磁流体发电机,等离子体,即高温下电离的气体，含有大量的带正电荷和负电荷的微粒，总体是电中性的。,工作原理,:,如图所示，,A,、,B,为两个极板，极板间有匀强磁场，磁场方向向外，等离子束穿过磁场，根据左手定则可以判断，正电荷偏向,B,极，负电荷偏向,A,极,正、负离子被极板吸收后，接收正离子的极板,B,带正电，接收负离子的极板,A,带负电，两极板间产生了电场，电场的出现阻碍了离子的进一步偏转，此后的离子受到两个力的作用：电场力和洛伦兹力，当这两个力平衡时，离子不再偏转，极板间的电压达到稳定若磁感应强度为,B,，板间距为,d,，离子的电荷量为,q,，速度为,v,，根据平衡条件有：，板间电压为：,U,Bvd,.,特别提醒：,A,、,B,两极板相当于电源内部，电流在两板间是从负极流向正极的,例：如图,3,3,8,所示为磁流体发电机的示意图，将气体加热到很高的温度，使它成为等离子体,(,含有大量正、负离子,),，让它们以速度,v,通过磁感应强度为,B,的匀强磁场区，这里有间距为,d,的电极,a,和,b,.,(1),说明磁流体发电机的原理,(2),哪个电极为正极？,(3),计算电极间的电势差,【,精讲精析,】,(1),带电粒子进入磁场后受到洛伦兹力的作用而向两个极板运动，在两个极板上积累的电荷越来越多，从而在两个极板间产生竖直方向的电场，且越来越强，最终后来的带电粒子受电场力和磁场力平衡后，沿直线通过叠加场，而在两个极板间产生了持续的电势差,例如图,3,3,5,所示是等离子体发电机的示意图，磁感应强度为,B,，两板间距离为,d,，要使输出电压为,U,，则等离子的速度,v,为,_,，,a,是电源的,_,极,解析：,带电粒子在磁场中发生偏转，使上下极板间出现电势差，形成了电场这时板间的带电粒子除受洛伦兹力外，还受电场力当两力大小相等时，粒子不再偏转，极板间形成稳定的电势差,a,是电源的正极。,例：图,6,为磁流体发电机的示意图。设两金属板间的距离为,d,，两极板间匀强磁场的磁感应强度为,B,。等离子体垂直进入磁场的速度为,v,单个离子所带的电量为,q,。离子通道（即两极板内所围成空间）的等效电阻为,r,，负载电阻为,R,。求（,1,）该发电机的电动势；（,2,）发电机的总功率。,答案（,1,）电动势,E=Bd,v,(2),总功率,(1),原因,:,是由于运动电荷在磁场中受洛伦兹力的结果。,载流导体的宽为,b,，,厚为,d,。通有电流,I,。,1879,年霍耳发现，把一载流导体放在磁场中，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势差，这一现象称之为霍耳现象。,I,b,d,V,H,q,五,霍尔效应,以载流子是正电荷为例,b,d,B,I,A,A,例：将导体放在沿,x,方向的匀强磁场中，并通有沿,y,方向的电流时，在导体的上下两侧面间会出现电势差，此现象称为霍尔效应。利用霍尔效应的原理可以制造磁强计，测量磁场的磁感应强度。磁强计的原理如图所示，电路中有一段金属导体，它的横截面为边长等于,a,的正方形，放在沿,x,正方向的匀强磁场中，导体中通有沿,y,方向、电流强度为,I,的电流，已知金属导体单位体积中的自由电子数为,n,，电子电量为,e,，金属导体导电过程中，自由电子所做的定向移动可以认为是匀速运动，测出导体上下两侧面间的电势差为,U,。求：（,1,）导体上、下侧面那个电势较高？（,2,）磁场的磁感应强度是多少？,答案,（,1,）上侧电势高,（,2,）,六、电磁流量计,流体为：导电液体,目的：测流量,d,b,a,导电,液体,若管道为其他形状,如矩形呢,?,例：如图为一电磁流量计的示意图，其截面为正方形的非磁性管，每边边长为,d,，导电液体流动，在垂直液体流动方向上加一指向纸内的匀强磁场，磁感应强度为,B.,现测得液体,a,、,b,两点间的电势差为,U,，求管内导电液体的流量,Q.,.,例：如图为一电磁流量计的示意图，其截面为正方形的非磁性管，每边边长为,d,，导电液体流动，在垂直液体流动方向上加一指向纸内的匀强磁场，磁感应强度为,B.,现测得液体,a,、,b,两点间的电势差为,U,，求管内导电液体的流量,Q.,解得导电液体的流速为,v=,所以导电液体的流量为：,Q=v,d,2,=,.,解：导电液体经磁场时，在洛仑兹力的作用下，正离子向下偏转，负离子向上偏转，在管内液体的上表面积累负电荷，下表面积累正电荷，产生一个方向竖直向上的电场，形成一个相互垂直的电场和磁场的复合场,.,进入这个复合场的正、负离子不仅受洛仑兹力，同时还受与洛仑兹力相反方向的电场力作用，当两者平衡时，进入的离子匀速通过管子，不再发生偏转，此时,a,、,b,两点间的电势差,U,保持恒定,.,由以上分析可知，,a,、,b,间保持恒定电势差,U,时应满足,:,作业布置,板书设计,教学反思,