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1、第五节,洛伦兹力的应用,返回,课标定位,学习目标：,1.,知道洛伦兹力只改变带电粒子速,度方向，不改变其速度大小,2,知道质谱仪和回旋加速器的构造和原理,重点难点：质谱仪和回旋加速器的原理和应,用,返回,返回,一、质谱仪和回旋加速器,1,质谱仪,(1),原理图：如图,3,5,2,图,3,5,2,返回,粒子出电场时，速度,v,2,qU,m,在匀强磁场中轨道半径,r,m,v,qB,m,qB,2,qU,m,2,mU,qB,2,所以粒子质量,m,qB,2,r,2,2,U,.,若粒子电荷量,q,也未,知，通过质谱仪可以求出该粒子的比荷,(,电荷,量与质量之比,),q,m,2,U,B,2,r,2,.,返回
2、,返回,核心要点突破,一、质谱仪工作原理的理解,质谱仪是利用电场和磁场控制电荷运动的精密仪,器，它是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要,工具其结构如图,3,5,2,甲所示，容器,A,中含有电,荷量相同而质量有微小差别的带电粒子经过,S,1,和,S,2,之间的电场加速，它们进入磁场将沿着不同的半,径做圆周运动，打到照相底片的不同地方，在底片,上形成若干谱线状的细条，叫做质谱线每一条谱,线对应于一定的质量从谱线的位置可以知道圆周,的半径，如果再已知带电粒子的电荷量，就可以算,出它的质量，这种仪器叫做质谱仪,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,即时应
3、用,(,即时突破，小试牛刀,),2.,回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部,分是分别与高频交流电极相连接的两个,D,形金属,盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，,使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两,D,形金属,盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图,3,5,7,所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说,法中正确的是,(,),图,3,5,7,返回,A,增大匀强电场间的加速电压,B,增大磁场的磁感应强度,C,减小狭缝间的距离,D,增大,D,形金属盒的半径,解析：,选,BD.,当粒子速度最大时，其运动半径,也最大，由,q,v,B,m,v,2,R,，得,v,qBR,m,，所以,E,km,q,2
4、,B,2,R,2,2,m,，要增大,E,k,，则应增大磁场的磁感应,强度,B,以及,D,形金属盒的半径,R,，,B,、,D,正确,返回,即时应用,(,即时突破，小试牛刀,),3,(2011,年杭州高二检测,),一个带电粒子以初速,度,v,0,垂直于电场方向向右射入匀强电场区域，穿,出电场后接着又进入匀强磁场区域设电场和磁,场区域有明确的分界线，且分界线与电场强度方,向平行，如图,3,5,8,中的虚线表示在图所示,的几种情况中，可能出现的是,(,),图,3,5,8,返回,解析：,选,AD,。,A,、,C,选项中粒子在电场中向下,偏转，所以粒子带正电，再进入磁场后，,A,图,中粒子应逆时针转，正确
5、,C,图中粒子应顺时,针转，错误同理可以判断,B,错，,D,对,返回,变,式,训,练,1,如,图,3,5,12,为,质,谱,仪,的,示,意,图速度选择部分的匀强电场场强,E,1.2,10,5,V/m,，匀强磁场的磁感应强度为,B,1,0.6,T,偏,转分离器的磁感应强度为,B,2,0.8 T,求：,(1),能通过速度选择器的粒子速度有多大？,(2),质子和氘核进入偏转分离器后打在底片上的,条纹之间的距离,d,为多少？,图,3,5,12,返回,解析：,(1),能通过速度选择器的粒子所受电场力,和洛伦兹力等大反向,即,eB,1,v,eE,，,v,E,B,1,1.2,10,5,0.6,m/s,2,1
6、0,5,m/s.,(2),粒子进入磁场,B,2,后做圆周运动，,洛伦兹力提,供向心力,eB,2,v,m,v,2,R,，,R,m,v,B,2,e,.,设质子质量为,m,，则氘核质量为,2,m,则：,d,2,m,v,B,2,e,2,m,v,B,2,e,2,5.2,10,3,m.,答案：,(1)2,10,5,m/s,(2)5.2,10,3,m,返回,回旋加速器的应用,例,3,回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得,很大动能的仪器，其核心部分是两个,D,形金属盒，,两盒分别和一高频交流电源两极相连，以便在盒,间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝,都得到加速，两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂,直于盒底
7、面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子,源射出的粒子电荷量为,q,，质量为,m,，粒子最大回,旋半径为,R,m,，其运动轨迹如图,3,5,13,所示，问：,返回,(1),盒中有无电场？,(2),粒子在盒内做何种运动？,(3),所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？,(4),粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多,少？,(5),设两,D,形盒间电场的电势差为,U,，求加速到上述,能量所需的时间,(,不计粒子在电场中运动的时间,),图,3,5,13,返回,【精讲精析】,(1)D,形盒由金属导体制成，,具有屏蔽,外电场作用，故盒内无电场,(2),带电粒子在盒内做匀速圆周运动，每次加速之后，,半径变
8、大,(3),粒子在电场中运动时间极短，,因此高频交流电频率,要等于粒子回旋频率，因为,T,2,m,qB,，回旋频率,f,1,T,qB,2,m,，角速度,2,f,qB,m,.,返回,(4),设粒子最大回旋半径为,R,m,，,则由牛顿第二定律得,q,v,m,B,m,v,2,m,R,m,，,故,v,m,qBR,m,m,，,最大动能,E,km,1,2,m,v,2,m,q,2,B,2,R,2,m,2,m,.,(5),粒子每旋转一周增加能量,2,qU,，则其动能提高到,E,km,时，旋转周数,n,qB,2,R,2,m,4,mU,.,在磁场中运动的时间：,t,磁,nT,qB,2,R,2,m,4,mU,2,m
9、,qB,BR,2,m,2,U,.,若忽略粒子在电场中运动时间，,t,磁,可视为总时间,返回,【答案】,(1),无电场,(2),匀速圆周运动,(3),f,qB,2,m,，,qB,m,(4),qBR,m,m,，,q,2,B,2,R,2,m,2,m,(5),BR,2,m,2,U,返回,【规律总结】,求解此题应注意以下两点：,(1),交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相,同回旋加速器才能正常工作,(2),根据匀速圆周运动知识求出粒子最大速度,的表达式，再据此判断它与何物理量有关,返回,变式训练,3,(2011,年吉林市高二检测,),用回旋,加速器来加速质子，为了使质子获得的动能,增加为原来的,4,倍，原则上可以采用下列哪几,种方法,(,),A,将其磁感应强度增大为原来的,2,倍,B,将其磁感应强度增大为原来的,4,倍,C,将,D,形盒的半径增大为原来的,2,倍,D,将,D,形盒的半径增大为原来的,4,倍,返回,解析：,选,AC.,质子在回旋加速器中做圆周运动的,半径,r,m,v,qB,，故动能,E,k,q,2,B,2,r,2,2,m,，所以要使动能,变为原来的,4,倍，,应将磁感应强度,B,或,D,形盒半,径增为原来的,2,倍，,A,、,C,对，,B,、,D,错,返回,返回,
