学案洛伦兹力的应用.docx

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1、洛伦兹力的应用【学习目标】1 .科学思维知道洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小。2 .物理观念知道电偏转和磁偏转，知道显像管的构造和原理。3 .科学态度与责任知道质谱仪和回旋加速器的构造、原理以及用途。【学习重难点】1 .知道洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小。2 .知道电偏转和磁偏转，知道显像管的构造和原理。【学习过程】自主预习探新知知识梳理阅读本节教材，回答第16页“问题”并梳理必要知识点。教材P16问题提示：带电粒子在磁场中的偏转。一、显像管1 .电偏转：利用电场改变带电粒子的运动方向称为电偏转。2 .磁偏转：利用磁场改变带电粒子的运动方向称为磁偏转。3 .显像管的构造和

2、原理(1)构造：如图所示，电视显像管由电子枪、偏转线圈和荧光屏组成。A(2)原理：电子枪发出的电子，经电场加速形成电子束,在水平偏转线圈和竖直偏转线 圈产生的不断变化的磁场作用下，运动方向发生偏转，实现扫描，在荧光屏上显示图像。 二、质谱仪1.原理图：如图所不。直向上，则电场力的方向竖直向下，知电场强度的方向竖直向下，所以速度选择器的P1极板 带正电，故选项B错误；进入史磁场中的粒子速度是一定的，根据8=乎得r=$，知r 越大，比荷?越小，而质量相不一定大，故选项C正确，D错误。m5.目前，世界上正在研制一种新型发电机磁流体发电机，它可以把气体的内能直接 转化为电能，如图表示出了它的发电原理：

3、将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量 正离子和负离子，但从整体上来说呈电中性）喷射入磁场，磁场中有两块金属板A、B,则高 速射入的离子在洛伦兹力的作用下向A、3两板聚集，使两板间产生电势差，若平行金属板间 距离为d,匀强磁场的磁感应强度为8,等离子体流速为丫，气体从一侧面垂直磁场射入板间， 不计气体电阻，外电路电阻为几则两板间最大电压和可能达到的最大电流为多少？等离子体束解析如图所示，离子在磁场中受到洛伦兹力作用发生偏转，正、负离子分别到达B. A极板（8为电源正极，故电流方向从8经R到A）,使A、8两板间产生匀强电场，等离子体 在电场力的作用下偏转逐渐减弱，当等离子体不发生偏转即匀速

4、穿过时，有qvB=qE,所以此时两板间电势差U=Ed=Bdv, 根据闭合电路欧姆定律可得电流大小/=陪。答案BdvBdv质谱仪原理示意图2 .加速：带电离子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得：qU=mv2,3 .偏转：离子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力qyB= 丁。由两式可以求出离子的半径一=缁、质量根=曙、比荷=1圣等。 vf Uv/11L ， U4 .质谱仪的应用：可以分析脑和测定离子的质量。三、回旋加速器1 .构造图：如图所示。回旋加速器原理示意图2 .工作原理(1)电场的特点及作用特点：两个D形盒之间的窄缝区域存在交变电压。作用：带电粒子经过该区域时被加速。(2

5、)磁场的特点及作用特点：D形盒处于与盒面垂直的匀强磁场中。作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，从而改变运动方向，半个周期后再次 进入电场。基础自测1 .思考判断（正确的打“勺”，错误的打“x”）（1）显像管中的电子束受水平、竖直两个方向的磁场作用。（4）（2）回旋加速器中起加速作用的是磁场。（义）（3）回旋加速器中起加速作用的是电场，所以加速电压越大，带电粒子获得的最大动能越大。（X）（4）质谱仪可以分析同位素。（4）（5）离子进入质谱仪的偏转磁场后洛伦兹力提供向心力。（4）2 .如图所示是电视机显像管及其偏转线圈的示意图。电流方向如图所示，试判断正对读者而来的电子束将向哪边偏转（）

6、A.向上 B.向下 C.向左 D.向右答案：C解析：把通电线圈等效为小磁铁，则左右两边的N极均在上方，所以在0点产生的磁场 方向向下，由左手定则判断正对读者而来的电子束将向左偏转，故C项正确。3 .（多选）质谱仪的构造原理如图所示，从粒子源S出来时的粒子速度很小，可以看作初 速度为零，粒子经过电场加速后进入有界的垂直纸面向里的匀强磁场区域，并沿着半圆周运动 而达到照相底片上的P点，测得尸点到入口的距离为,则以下说法正确的是（）A.粒子一定带正电8 .粒子一定带负电C. %越大，则粒子的质量与电荷量之比一定越大D. %越大，则粒子的质量与电荷量之比一定越小答案：AC解析：根据粒子的运动方向和洛伦

7、兹力方向，由左手定则知粒子带正电，故A正确，B错误；根据半径公式尸患知，x=2r=,又qU=S,联立解得光=个喘,知越大, 质量与电荷量的比值越大，故C正确，D错误。合作探究攻重难考点1对质谱仪工作原理的理解情景引入助学助教如图所示为质谱仪原理示意图。离子从容器A下方的小孔Si进入质谱仪后打在底片上, 什么样的粒子打在质谱仪显示屏上的位置会不同？位置的分布有什么规律？2H7V 提示：速度相同，比荷不同的粒子打在质谱仪显示屏上的位置不同。根据夕诬=翠，得瑞。可见粒子比荷越大，偏转半径越小。1 .速度选择器只选择粒子的速度（大小和方向）而不选择粒子的质量、电荷量和电性。2 .从S与8之间得以加速的

8、粒子的电性是固定的，因此进入偏转磁场空间的粒子的电性 也是固定的。3 .打在底片上同一位置的粒子，只能判断其5是相同的，不能确定其质量或电荷量一定相 III/同。【例1】 如图所示为某种质谱仪的结构示意图。其中加速电场的电压为U,静电分析器 中与圆心01等距各点的电场强度大小相同，方向沿径向指向圆心。1；磁分析器中在以。2为 圆心、圆心角为90。的扇形区域内，分布着方向垂直于纸面的匀强磁场，其左边界与静电分析 器的右边界平行。由离子源发出一质量为用、电荷量为的正离子（初速度为零，重力不计）， 经加速电场加速后，从M点沿垂直于该点的场强方向进入静电分析器，在静电分析器中，离 子沿半径为R的四分之

9、一圆弧轨迹做匀速圆周运动，并从N点射出静电分析器。而后离子由 尸点沿着既垂直于磁分析器的左边界又垂直于磁场的方向射入磁分析器中，最后离子沿垂直于 磁分析器下边界的方向从。点射出，并进入收集器。测量出。点与圆心02的距离为（1）试求静电分析器中离子运动轨迹处电场强度后的大小；（2）试求磁分析器中磁场的磁感应强度3的大小和方向。思路点拨：解答本题时应注意以下两点：在静电分析器中，电场力提供离子做圆周运动的向心力。在磁分析器中，洛伦兹力提供离子做圆周运动的向心力。解析设离子进入静电分析器时的速度为丫，离子在加速电场中加速的过程中，由动能 定理得：qU=mv2（1）离子在静电分析器中做匀速圆周运动，根

10、据牛顿第二定律有：qE=G联立两式，解得：七=崇（2）离子在磁分析器中做匀速圆周运动，由牛顿第二定律有：qvB=n由题意可知，圆周运动的轨道半径为：r=d联立式，解得：3=人?*由左手定则判断，磁场方向垂直纸面向外。答案（1）半 （2）入/等 方向垂直纸面向外规律方法应用质谱仪时的两点注意（1）质谱仪的原理中包括粒子的加速、受力的平衡（速度选择器）、牛顿第二定律和匀速 圆周运动等知识。（2）分析粒子的运动过程，建立各运动阶段的模型、理清各运动阶段之间的联系，根据 带电粒子在不同场区的运动规律列出对应的方程。跟进训练1 .现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒

11、 定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一 价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离 开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为（ ）A. 11 B. 12 C. 121 D. 144答案：D解析：带电粒子在加速电场中运动时，有夕。=品记，在磁场中偏转时，其半径=第，由 以上两式整理得：厂=冕等。由于质子与一价正离子的电荷量相同，By ：B2 = 1 ： 12,当半 径相等时，解得：器=144,选项D正确。考点2对回旋加速器工作原理的理解情境引入助学助教回旋加速器中磁场和电场分别起什么作

12、用？对交流电源的周期改变是否要求越来越快，以 便能使粒子在缝隙处刚好被加速？提示：磁场的作用是使带电粒子回旋，电场的作用是使带电粒子加速。交流电源的周期应 等于带电粒子在磁场中运动的周期，是不变的，和粒子运动速度无关。2 .速度和周期的特点：在回旋加速器中粒子的速度逐渐增大，但粒子在磁场中做匀速圆 周运动的周期T=鬻始终不变。3 .最大半径及最大速度：粒子的最大半径等于D形盒的半径R=罪，所以最大速度面= qBRm 4 .最大动能及决定因素：最大动能即粒子所能达到的最大动能由磁场3、D形盒的半径R、粒子的质量机及带电荷量q共同决定，与加速电场的电压无关。5 .粒子被加速次数的计算：粒子在回旋加

13、速器盒中被加速的次数=需（U是加速电压大小），一个周期加速两次。设在电场中加速的时间为力，缝的宽度为d,则神=与力，九=。 乙Vm.粒子在回旋加速器中运动的时间：在磁场中运动的时间/2=37=甯，总时间为t=tx z qtf+2因为九02, 一般认为在盒内的时间近似等于以【例2】 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荷量为外质量为如 粒子最大回旋半径为Rm,其运动轨

14、迹 如图所示，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？解析（1） D形盒由金属导体制成，可屏蔽外电场，因而盒内无电场，盒内存在垂直盒 面的磁场，故粒子在盒内磁场中做匀速圆周运动。（2）两盒间狭缝内存在匀强电场，且粒子速度方向与电场方向在同一条直线上，故粒子 做匀加速直线运动。（3）粒子在电场中运动时间极短，高频交变电压频率要符合粒子回旋频率尸小=篝。角速度=2对三小。（4）粒子最大回旋半径为Rm, Rm=鬻，则9=曙。答案（1）匀速圆周运动（2）匀加速直线运动（3）频率右照 角速度口=

15、曹（4）_qBRmm= m跟进训练2.（多选）在回旋加速器中（）A.电场用来加速带电粒子，磁场则使带电粒子回旋B.电场和磁场同时用来加速带电粒子C.在交流电压一定的条件下，回旋加速器的半径越大，则带电粒子获得的动能越大D.同一带电粒子获得的最大动能只与交流电压的大小有关，而与交流电压的频率无关答案：AC解析：电场的作用是使粒子加速，磁场的作用是使粒子回旋，故A选项正确；粒子获得的动能以=口?,对同一粒子，回旋加速器的半径越大，粒子获得的动能越大，故C选项正 2%确。课堂小结-我的收获1 .物理观念：电偏转、磁偏转。2 .科学思维：洛伦兹力的特点。3 .科学态度与责任：质谱仪和回旋加速器在实际问

16、题中的应用。当堂达标固双基1 .电子以一定的初速度垂直磁感线进入匀强磁场中，则（）A.电子所受洛伦兹力不变B.洛伦兹力对电子不做功C.电子的速度不变D.电子的加速度不变答案：B解析：由于电子在磁场中运动所受的洛伦兹力总与速度垂直，洛伦兹力对电子不做功，则 电子速度大小不变，但方向时刻发生变化，由公式产=6可知洛伦兹力大小不变，方向变化， 因此电子的速度、加速度均发生变化，选项B正确。2 .在阴极射线管中电子流方向由左向右，其上方放置一根通有如图所示电流的直导线， 导线与阴极射线管平行，则电子将（）A.向上偏转B.向下偏转C.向纸里偏转D.向纸外偏转答案：B解析：根据安培定则，直导线下方的磁场方

17、向垂直于纸面向里，而电子运动方向由左向右, 由左手定则知，电子将向下偏转，故选项B正确。3 .（多选）1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器 由两个铜质。形盒a、构成，其间留有空隙，下列说法正确的是（）A.离子由加速器的中心附近进入加速器B.离子由加速器的边缘进入加速器C.离子从磁场中获得能量D.离子从电场中获得能量答案：AD解析：回旋加速器的原理是带电粒子在电场中加速，在磁场中偏转，每转半周加速一次, 因此其轨道半径越来越大。粒子是从加速器的中心附近进入加速器的，最后是从加速器的最外 边缘引出的，故A正确，B错误。由于洛伦兹力并不做功，而粒子通过电场时，有故粒子是从电场中获得能量，故C错误，D正确。4 . 1922年英国物理学家和化学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究荣获了诺 贝尔化学奖。若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列相关 说法中正确的是（ ）A.该束带电粒子带负电B.速度选择器的P极板带负电C.在治磁场中运动半径越大的粒子，比荷看越小D.在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大答案：c解析：带电粒子在磁场中向下偏转，磁场的方向垂直纸面向外，根据左手定则知，该粒子 带正电，故选项A错误；在平行金属板间，根据左手定则知，带电粒子所受的洛伦兹力方向竖