选择性必修 第二册第四节 洛伦兹力与现代技术完美版ppt课件

这是一份选择性必修 第二册第四节 洛伦兹力与现代技术完美版ppt课件，共32页。PPT课件主要包含了新课引入，回旋加速器，质谱仪，一条直线，圆弧形，半圆金属盒，高频交变，回旋加速器工作原理，加速电场，速度选择器等内容，欢迎下载使用。

带电粒子在有界磁场运动
洛伦兹力在现代科学技术中有着广泛的应用
【情境】科研人员需要利用高速粒子对原子核进行“轰击”，以观测其可能产生的新粒子。
【思考问题】（1）有哪些方法使粒子获得更大的动能？
（2）利用多级加速的方法，多级加速器各级间的电压依次为U1、U2…Un，电荷量为q的粒子经过级加速后的动能是多少？
（3）直线加速器的缺点是什么？
利用电场可以使带电粒子加速。早期的加速器是用不断提高电源的电压来使带电粒子加速。然而实际所能达到的电压是有限制的。
让带电粒子在多级电场的作用下进行多次加速，这就导致整个加速器延伸得相当长。
洛伦兹力恰好能够让带电粒子在磁场中做圆周运动，从而达到“绕回来”的目的。根据这一思路设计出的粒子加速装置，称为回旋加速器。
如图所示是洛伦兹力演示仪的实物图和原理图。电子枪可以发射电子束。玻璃泡内充有稀薄的气体，在电子束通过时能够显示电子的径迹。励磁线圈能够在两个线圈之间产生匀强磁场，磁场的方向与两个线圈中心的连线平行。（1）未加磁场，观察洛伦兹力演示仪中电子束的径迹形状。 （2）在玻璃泡中施加沿两线圈中心连线方向、由纸面指向读者纸内指向纸外的磁场，观察洛伦兹力演示仪中电子束的径迹形状。
问题1：未加磁场时观察到电子做什么运动？
问题2：加入磁场时电子做什么运动？
问题3：通过观察实验，你能得出什么结论？
1.实验现象：用洛伦兹力演示仪演示电子束的径迹 (1)未加磁场时，电子束的径迹是＿＿＿＿； (2)加上匀强磁场时，电子束的径迹是＿＿＿； (3)磁感应强度或电子的速度改变时，圆的半径发生＿＿。
2.规律分析：带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力f提供为向心力，则 (1)向心力： ＿＿＿＿＿＿＿＿＿； (2)轨道半径：＿＿＿； (3)运动周期：＿＿＿。 【说明】 运动周期T与运动速度v＿＿。
3.回旋加速器： (1)结构：回旋加速器主要由圆柱形磁极、两个＿＿＿＿＿、＿＿＿＿电源、粒子源和粒子引出装置等构成；
1、作用：产生高速运动的粒子
用磁场控制轨道、用电场进行加速
运动周期：＿＿＿。 【说明】 运动周期T与运动速度v＿＿。
交变电压的周期（频率）等于粒子在磁场中运动的周期T（频率）
解：当粒子从D形盒出口飞出时，粒子的运动半径=D形盒的半径R
问题4：带电粒子的最终能量
　　当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，带电粒子的最终动能：
　 所以，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R．
最终能量与加速电压无关
【回旋加速器理论总结】
结构：质谱仪主要由 ＿＿＿＿、＿＿＿＿＿、和＿＿＿＿三部分构成；
满足功能二：速度选择器
应用：质谱仪是测量带电粒子＿＿和分析＿＿＿的重要工具。
重要的参量圆心O半径R
有哪些方法确定轨迹圆心？
例1：质量为m，电荷量为q的正粒子，从A点以速度v垂直射入匀强磁场中。已知射出点P距射入点A的距离为L.求:（1）磁场的磁感应强度（2）从A到P，粒子运动的时间
当带电粒子从同一边界入射出射时速度与边界夹角相同
例2：如图所示，一束电子(电量为e，质量为m) 垂直射入磁感应强度为B，宽度为d的匀强磁场中，求：1）若穿过磁场时速度偏转角 为30º，电子入射速度大小2）电子能穿过磁场时， 速度该满足什么条件?
１．有ａ、ｂ两个电子分别以速率v和2v同时沿垂直磁场方向射入同一匀强磁场中，试通过计算比较它们回到出发点的先后顺序．
解：电子垂直进入匀强磁场后均做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，
可见周期与速度无关，故它们同时回到出发点。
２． 参考如图所示的回旋加速器原理图，回答下列问题．（１）在回旋加速器中，带电粒子是从Ｄ形盒磁场中获得能量，还是从两个Ｄ形盒空隙间的电场中获得能量？（２）带电粒子再次进入Ｄ形盒的匀强磁场中做匀速圆周运动时，其速率变大，它的运动周期将随之变化吗？即带电粒子前后两次进入电场区的时间间隔会随之变化吗？（３）为了使带电粒子每次经过两个Ｄ形盒的间隙时，恰能受到电场力作用而被加速，高频电源的频率应符合什么要求？
（3)高频电源的周期与带电粒子在磁场中运动的频率相等。因为带电粒子走过半圆的时间不变，两盒间电势差的正负变换的时间间隔亦不变，变换周期恰好是带电粒子运动周期才行，故变换频率与带电粒子运动频率相等。
解：（1)从D形盒空隙间的电场中获得能量．
３． 磁流体发电是一项新兴技术，它可以把物体的内能直接转化为电能，如图所示是其原理示意图．平行金属板Ａ、Ｂ之间有一个很强的磁场，将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子）射入磁场，Ａ、Ｂ两板间便产生电压． 如果把Ａ、Ｂ板和用电器连接，Ａ、 Ｂ板相当于一个直流电源的两个电极．（１）图中Ａ、Ｂ板哪一个是发电机的正极？（２）若Ａ、Ｂ两板间距为ｄ，板间的磁场可视为匀强磁场，磁感应强度为Ｂ，等离子体以速率ｖ沿垂直于磁场的方向射入磁场，则该发电机的电动势是多少？
3.解：（1)由左手定则知，正离子受洛伦兹力的方向向下，向B板偏转，负离子受洛伦兹力的方向向上，向A板偏转，故B板是发电机的正极。
（2)当外电路断开时，正、负离子在洛伦兹力的作用下分别积累在B板和A板上，在A、B之间形成竖直向上的电场，电荷积累越多，两板电压越大，场强也越大，直到qE=qvB时，即E=vB时，等离子体做匀速直线运动，此时两极板之间的电压U=Ed=Bdv,这就是该发电机的电动势。
４． 利用质谱仪测量氢元素的同位素，如图所示，让氢元素的三种同位素氕、氘、氚的离子流从容器Ａ下方的小孔无初速度飘入电势差为Ｕ的加速电场，加速后垂直进入磁感应强度为Ｂ的匀强磁场，最后打在照相底片Ｄ上，形成ａ、ｂ、ｃ三条质谱线．（１）在进入磁场时，氢元素的哪种同位素的动能比较大？为什么？（２）氢元素的哪种同位素在磁场中运动的时间比较长？为什么？（３）ａ、ｂ、ｃ三条质谱线分别对应氢元素的哪一种同位素？
解：（1）三种同位素的动能一样大，因为Ek=qU,故动能相同．
1.有电子、质子、氘核、氚核，以相同速度垂直射入同一匀强磁场中，它们都作匀速圆周运动，则轨道半径最大的粒子是( ) A．氘核 B．氚核 C．电子 D．质子 2.质子和a粒子由静止出发，经过同一加速电场加速后，沿垂直磁感线方向进入同一匀强磁场，则它们在磁场中的各运动量间的关系正确的是( ) A．速度之比为2:1 B．周期之比为1:2 C．半径之比为1:2 D．角速度之比为1:1
3. (多选) 如图所示，竖直向下的匀强磁场穿过光滑的绝缘水平面，平面上一个钉子O固定一根细线，细线的另一端系一带电小球，小球在光滑水平面内绕O做匀速圆周运动.在某时刻细线断开，小球仍然在匀强磁场中做匀速圆周运动，下列说法一定错误的是( )A.速率变小，半径变小，周期不变B.速率不变，半径不变，周期不变C.速率不变，半径变大，周期变大D.速率不变，半径变小，周期变小
4.一个用于加速质子的回旋加速器，其核心部分如图所示，D形盒半径为R，垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B，两盒分别与交流电源相连。下列说法中，正确的是( ) A. 质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大 B. 质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大 C. 只要R足够大，质子的速度可以被加速到任意值 D. 不需要改变任何量，这个装置也能用于加速α粒子
5.(多选)如图所示为质谱仪的原理图，一束粒子以速度v沿直线穿过相互垂直的匀强电场(电场强度为E)和匀强磁场(磁感应强度为B1)的重叠区域，然后通过狭缝S0垂直进入另一匀强磁场(磁感应强度为B2)，最后打在照相底片上的三个不同位置，粒子的重力可忽略不计，则下列说法中，不正确的是( ) A. 该束粒子带负电 B. P1板带负电 C. 粒子的速度v满足关系式v=E/B2 D. 在磁感应强度为B2的磁场中，运动半径越大的粒子，比荷q/m越小
6.(多选)一带电粒子在强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动，如它又顺利进入另一磁感强度为2B的匀强磁场中仍做匀速圆周运动，则( ) A. 粒子的速率加倍，周期减半 B. 粒子的速率不变，轨道半径减半 C. 粒子的速率减半，轨道半径变为原来的 1/4 D. 粒子速率不变，周期减半 7.一质子及一α粒子，同时垂直射入同一匀强磁场中： (1)若两者由静止经同一电势差加速的，则旋转半径之比为 ＿＿＿；　　 (2)若两者以相同的动能进入磁场中，则旋转半径之比为＿＿＿； (3)若两者以相同速度进入磁场，则旋转半径之比为＿＿＿。