教科版 (2019)选择性必修 第二册4 洛伦兹力的应用教学ppt课件

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一、利用磁场控制带电粒子运动(1)特点:只改变带电粒子的　　　　　　　　,不改变带电粒子的　　　　　　　。 (2)应用:早期电视机显像管利用随电视信号变化的　　　　控制电子束的运动路径。 
(1)加速——带电粒子进入质谱仪的加速电场,由动能定理得Uq= mv2。(2)匀速——带电粒子在速度选择器中所受的电场力和洛伦兹力平衡,粒子沿直线运动,qE=qvB1。 可确定某一速度的粒子
(3)偏转——带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动,
2.质谱仪的应用利用质谱仪可检测　　　　　　　或核物质中的　　　　　和不同成分。
三、回旋加速器1.构造如图所示,D1、D2是半圆金属盒,D形盒处于匀强磁场中,D形盒的缝隙处接交流电源。
2.原理交流电源周期和粒子做圆周运动的周期相等,使粒子每经过一次D形盒缝隙,就被加速一次。粒子每经过一次加速,其轨道半径就增大一些,但粒子绕圆周运动的周期不变。
3.加速条件带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期和交变电场的周期相同。 不计带电粒子在电场中加速时间4.最大速度vm=　　　　。 
情境链接如图所示为某质谱仪原理示意图。
(1)粒子在S1区域做什么运动?(2)粒子在S2区域做何种运动?(3)粒子进入磁场时的速率为多大?(4)粒子在磁场中运动的轨道半径为多大?[(3)(4)用图中字母表示]
提示 (1)初速度为零的匀加速直线运动。(2)匀速直线运动。
教材拓展阅读教材P24“发展空间”——《磁流体发电机》。磁流体发电机的原理如图所示,相距为d的两平行金属板A、B之间有一个很强的磁场,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)以速度v沿垂直于磁场的方向射入磁场,由于等离子体在磁场力的作用下运动方向发生偏转,A、B板上就会聚集等离子体,从而在两板间产生电压。若A、B两板间的磁场、电场按匀强磁场、匀强电场处理,磁感应强度为B,不计重力。求该磁流体发电机的电动势E,并提出一种可以提高该磁流体发电机电动势的方法。
提示 稳定时,洛伦兹力与电场力平衡,则有qvB= ,解得E=dvB根据上述可知,提高该磁流体发电机电动势的方法是增大磁感应强度、增大极板之间的间距或增大等离子体的入射速度。
易错辨析(1)利用回旋加速器加速带电粒子,要提高加速粒子的最终能量,应尽可能增大加速电压和D形盒的半径R。(　　)(2)利用质谱仪可以测得带电粒子的比荷。(　　)(3)回旋加速器工作时,电场必须是周期性变化的。(　　)(4)回旋加速器中,磁场的作用是改变粒子速度的大小。(　　)
探究点一　质谱仪的原理及应用
(1)一束质量、速度和电荷量都不同的正离子垂直地射入匀强磁场和匀强电场正交的区域,结果发现有些离子保持原来的运动方向,未发生任何偏转,它们的速度有什么特点?
(2)如果让这些不偏转离子进入另一匀强磁场中,发现这些离子又分裂成几束,对这些进入另一磁场的离子,它们的比荷是否相同?
提示 (1)相等。(2)不同。
【例1】 (2023重庆江北高二期末)如图所示为质谱仪的工作原理图,最初是由阿斯顿设计的,是一种测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。其工作原理:一个质量为m、电荷量为q的离子,从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场,其初速度几乎为0,然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中,最后打到照相底片D上。不计离子重力,则(　　)
对点演练1 (2023重庆巴蜀中学高二期末)19世纪末,汤姆孙的学生阿斯顿设计了质谱仪,并用质谱仪发现了氖-20和氖-22,证实了同位素的存在。图甲为质谱仪工作的原理图,已知质量为m、电荷量为q的粒子,从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场,其初速度几乎为0,然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中,最后打到照相底片D上的P点,且S3P=x。忽略粒子的重力,通过实验测得x与 的关系如图乙所示,已知斜率为k=0.5,匀强磁场的磁感应强度B为2×10-4 T,π=3.14。下列说法正确的是(　　)
A.该粒子带负电B.该粒子比荷为9×108 C/kgC.若电压U不变,x越大,则粒子比荷越大D.该粒子在S3下方磁场中运动的时间约为1.96×10-5 s
探究点二　回旋加速器的原理及应用
带电粒子在D形盒内做圆周运动的周期随半径的增大是否发生变化?为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速,使其能量不断提高,所加交变电压的周期与带电粒子做圆周运动的周期有何关系?
1.交变电压的周期带电粒子做匀速圆周运动的周期 ,与速率、半径均无关。运动相等的时间(半个周期)后进入电场,为了保证带电粒子每次经过狭缝时都被加速,须在狭缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压,所以交变电压的周期也与粒子的速率、半径无关,由带电粒子的比荷和磁场的磁感应强度决定。2.带电粒子的最终能量由 ,带电粒子获得的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。
3.带电粒子被加速次数的计算带电粒子在回旋加速器中被加速的次数 (U是加速电压的大小),一个周期加速两次。加速电压小,每一次获得的能量小,加速次数就多。4.带电粒子在回旋加速器中运动的时间粒子在磁场中运动的总时间 。(不计粒子在狭缝中运动的时间)
【例2】 在磁极间的真空室内有两个半径为R的半圆形金属扁盒(D形盒)隔开相对放置,D形盒间加频率为f的高频率交变电流,其间隙处产生交变电场。置于中心的粒子源产生质量为m、电荷量为q的粒子(初速度视为零),受到电场加速,在D形盒内不受电场力,仅受磁极间磁感应
强度为B的磁场的洛伦兹力,在垂直磁场平面做圆周运动。经过多次加速,粒子沿螺旋形轨道从D形盒边缘射出,能量可达几十兆电子伏特(MeV)。不考虑相对论效应,下列说法正确的是(　　)
A.粒子第一次和第二次经过D形盒间狭缝后轨道半径之比为1∶2B.加速电压越大,粒子获得的最大动能就越大C.粒子获得的最大动能为D.保持交变电流频率f和磁感应强度B不变可以加速比荷不同的粒子
对点演练2(2023江苏南通期末)回旋加速器的示意图如图所示,交流电压u的大小和频率保持不变,磁场的磁感应强度大小B可以调节。用该装置分别对 加速,则质子和氦核的最大动能之比为(　　)A.1∶8B.1∶4C.1∶2D.1∶1
1.(利用磁场控制带电粒子运动)如图所示,比荷为 的电子垂直射入方向垂直纸面向里、宽度为d、磁感应强度为B的匀强磁场区域,则电子能从右边界射出这个区域至少应具有的初速度大小为(　　)
2.(质谱仪)(2023江苏宿迁高二期末)应用质谱仪测定有机化合物分子结构的方法称为质谱法,原理如图所示:先在离子化室A中将有机物气体分子碎裂成两种带正电的离子,离子从下方的小孔S飘入电势差为U的加速电场,其初速度几乎为0,然后经过S1沿着与磁场垂直的方向进入匀强磁场中,最后打到照相底片D上,形成a、b两条质谱线,则(　　)A.打到a处的离子的比荷小B.两种离子进入磁场时的速度相同C.匀强磁场的方向垂直纸面向里D.两种离子在磁场中的运动时间相等
3.(回旋加速器)(多选)(2023山东威海高二期末)回旋加速器两个D形盒间接一高频交流电源,两D形盒放在匀强磁场中,带电粒子经过回旋加速器加速后可以获得很大的动能。利用同一回旋加速器,仅改变高频交流电源的频率就可以实现对不同种类的粒子加速。用同一加速器先后加速质子和α粒子(α粒子的电荷数为2,质量数为4),不考虑粒子在D形盒狭缝中电场里的运动时间,下列说法正确的是(　　)A.加速α粒子时所用的交流电源的频率是加速质子的2倍B.质子和α粒子最终获得的最大动能相等C.质子和α粒子在回旋加速器中加速的次数相等D.质子和α粒子在回旋加速器中运动的时间相等
解析 带电粒子在回旋加速器中每个运动周期内被加速两次,交流电源每个周期方向改变两次,所以交流电源的周期等于带电粒子的运动周期T,
4.(科学仪器综合)(多选)(2023山东临沂高二期末)关于下列四幅图的说法正确的是(　　)
A.图甲是速度选择器示意图,由图不能判断出带电粒子的电性,不计重力的带电粒子能够沿直线 匀速通过速度选择器的条件是B.图乙是磁流体发电机结构示意图,由图可以判断出A极板是发电机的正极,且增大磁感应强度可以增大电路中的电流
C.图丙是质谱仪结构示意图,打在相机底片上的位置越靠近狭缝S3,说明带电粒子的比荷越大D.图丁是回旋加速器示意图,要使带电粒子飞出加速器时的动能增大,可仅增加电压U
解析 图甲是速度选择器示意图,由图无法判断出带电粒子的电性,带电粒子做匀速直线运动,根据平衡条件有qE=qvB,解得 ,A正确;根据左手定则可知,正电荷向下偏转,负电荷向上偏转,所以下极板带正电,A极板是电源的负极,B极板是电源的正极,根据平衡条件有qE=qvB且 ,解得U=Bdv,则回路中的电流为 ,故增大磁感应强度,可以增大电路中的电流,B错误;带电粒子先经过电场加速,则有qU= mv2,带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力充当向心力,则有 ,所以越靠近狭缝半径越小,比荷越大,C正确;带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力充当向心力,则有 ,所以速度与电压无关,即最大动能与加速电压无关,D错误。
5.(带速度选择器的质谱仪)(2023广东清远高二期末)质谱仪的原理图如图所示,由加速电场、速度选择器和偏转磁场组成。在速度选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场(图中未画出)。偏转磁场是一个以直线MN为边界、方向垂直纸面向外、磁感应强度大
小为B2的匀强磁场。一电荷量为q、质量为m的带正电的粒子从静止开始经过加速电场后,进入速度选择器,并能沿直线穿过速度选择器,从A点垂直MN进入偏转磁场。粒子经偏转磁场后,最终到达照相底片的C点。已知速度选择器中的电场方向水平向右,电场强度大小为E,A点到C点的距离为x,粒子所受的重力可忽略不计。求:(1)粒子进入偏转磁场的速度大小v;(2)速度选择器中匀强磁场的磁感应强度B1的大小和方向;(3)加速电场的电势差U。