【優(yōu)化方案】高二物理 第3章第五節(jié)洛倫茲力的應(yīng)用課件 教科

第五節(jié)洛倫茲力的應(yīng)用課標(biāo)定位學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.知道洛倫茲力只改變帶電粒子速度方向，不改變其速度大?。?．知道質(zhì)譜儀和回旋加速器的構(gòu)造和原理．重點(diǎn)難點(diǎn)：質(zhì)譜儀和回旋加速器的原理和應(yīng)用．

核心要點(diǎn)突破課堂互動(dòng)講練知能優(yōu)化訓(xùn)練第五節(jié)洛倫茲力的應(yīng)用課前自主學(xué)案課前自主學(xué)案Bv0圖3－5－12．特點(diǎn)：只改變帶電粒子的__________，不改變帶電粒子的__________．二、質(zhì)譜儀和回旋加速器1．質(zhì)譜儀(1)原理圖：如圖3－5－2圖3－5－2運(yùn)動(dòng)方向速度大小qUqvB質(zhì)量m質(zhì)量同位素2．回旋加速器(1)構(gòu)造圖：如圖3－5－3圖3－5－3回旋加速器的核心部件是兩個(gè)_________.D形盒不變核心要點(diǎn)突破一、質(zhì)譜儀工作原理的理解質(zhì)譜儀是利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)控制電荷運(yùn)動(dòng)的精密儀器，它是測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具．其結(jié)構(gòu)如圖3－5－4甲所示，容器A中含有電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的帶電粒子．經(jīng)過S1和S2之間的電場(chǎng)加速，它們進(jìn)入磁場(chǎng)將沿著不同的半徑做圓周運(yùn)動(dòng)，打到照相底片的不同地方，在底片上形成若干譜線狀的細(xì)條，叫做質(zhì)譜線．每一條譜線對(duì)應(yīng)于一定的質(zhì)量．從譜線的位置可以知道圓周的半徑，如果再已知帶電粒子的電荷量，就可以算出它的質(zhì)量，這種儀器叫做質(zhì)譜儀．圖3－5－4即時(shí)應(yīng)用(即時(shí)突破，，小試牛刀刀)1.如圖3－5－5是質(zhì)譜儀儀的工作作原理示示意圖．．帶電粒粒子被加加速電場(chǎng)場(chǎng)加速后后，進(jìn)入入速度選選擇器，，速度選選擇器內(nèi)內(nèi)相互正正交的勻勻強(qiáng)磁場(chǎng)場(chǎng)和勻強(qiáng)強(qiáng)電場(chǎng)的的強(qiáng)度分分別為B和E.平板S上有可讓讓粒子通通過的狹狹縫P和記錄粒粒子位置置的膠片片A1A2.平板S下方有強(qiáng)強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁磁場(chǎng)．下下列表述述正確的的是()圖3－5－5A．質(zhì)譜儀儀是分析析同位素素的重要要工具B．速度選選擇器中中的磁場(chǎng)場(chǎng)方向垂垂直紙面面向外C．能通過過狹縫P的帶電粒粒子的速速率等于于E/BD．粒子打打在膠片片上的位位置越來來越靠近近狹縫P，粒子的的荷質(zhì)比比越小二、對(duì)回回旋加速速器的正正確認(rèn)識(shí)識(shí)1．回旋加加速器的的原理回旋加速速器的工工作原理理如圖3－5－6所示．放放在A0處的粒子子源發(fā)出出一個(gè)帶帶正電的的粒子，，它以某某一速率率v0垂直進(jìn)入入勻強(qiáng)磁磁場(chǎng)中，，在磁場(chǎng)場(chǎng)中做勻勻速圓周周運(yùn)動(dòng)．．經(jīng)過半半個(gè)周期期，當(dāng)它它沿著半半圓A0A1時(shí)，我們們?cè)贏1A1′處設(shè)置一一個(gè)向上上的電場(chǎng)場(chǎng)，使這這個(gè)帶電電粒子在在A1A1′處受到一一次電場(chǎng)場(chǎng)的加速速，速率率由v0增加到v1，然后粒粒子以速速率v1在磁場(chǎng)中中做勻速速圓周運(yùn)運(yùn)動(dòng)．圖3－5－6我們知道道，粒子子的軌道道半徑跟跟它的速速率成正正比，因因而粒子子將沿著著增大了了的圓周周運(yùn)動(dòng)．．又經(jīng)過過半個(gè)周周期，當(dāng)當(dāng)它沿著著半圓弧弧A1′A2′到達(dá)A2′時(shí)，我們們?cè)贏2′A2處設(shè)置一一個(gè)向下下的電場(chǎng)場(chǎng)，使粒粒子又一一次受到到電場(chǎng)的的加速，，速率增增加到v2.如此繼續(xù)續(xù)下去，，每當(dāng)粒粒子運(yùn)動(dòng)動(dòng)到A1A1′、A3A3′等處時(shí)都都使它受受到一個(gè)個(gè)向上電電場(chǎng)的加加速，每每當(dāng)粒子子運(yùn)動(dòng)到到A2′A2、A4′A4等處時(shí)都都使它受受到一個(gè)個(gè)向下電電場(chǎng)的加加速，那那么，粒粒子將沿沿著圖示示的螺旋旋線回旋旋下去，，速率將將一步一一步地增增大．特別提醒醒：由上上式可以以看出，，要使粒粒子射出出的動(dòng)能能Ekm增大，就就要使磁磁場(chǎng)的磁磁感應(yīng)強(qiáng)強(qiáng)度B以及D形盒的半半徑R增大，而而與加速速電壓U的大小無無關(guān)(U≠0)．即時(shí)應(yīng)用用(即時(shí)突破破，小試試牛刀)2.回旋加速速器是加加速帶電電粒子的的裝置，，其核心心部分是是分別與與高頻交交流電極極相連接接的兩個(gè)個(gè)D形金屬盒盒，兩盒盒間的狹狹縫中形形成的周周期性變變化的電電場(chǎng)，使使粒子在在通過狹狹縫時(shí)都都能得到到加速，，兩D形金屬盒盒處于垂垂直于盒盒底的勻勻強(qiáng)磁場(chǎng)場(chǎng)中，如如圖3－5－7所示，要增大大帶電粒子射射出時(shí)的動(dòng)能能，則下列說說法中正確的的是()圖3－5－7A．增大勻強(qiáng)強(qiáng)電場(chǎng)間的的加速電壓壓B．增大磁場(chǎng)場(chǎng)的磁感應(yīng)應(yīng)強(qiáng)度C．減小狹縫縫間的距離離D．增大D形金屬盒的的半徑三、帶電粒粒子在復(fù)合合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)動(dòng)的分析方方法和思路路1．弄清復(fù)合合場(chǎng)的組成成．一般有有磁場(chǎng)、電電場(chǎng)的復(fù)合合，磁場(chǎng)、、重力場(chǎng)的的復(fù)合，磁磁場(chǎng)、電場(chǎng)場(chǎng)、重力場(chǎng)場(chǎng)三者的復(fù)復(fù)合．2．正確進(jìn)行行受力分析析，除重力力、彈力、、摩擦力外外要特別注注意靜電力力和磁場(chǎng)力力的分析．．3．確定帶電電粒子的運(yùn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，，注意運(yùn)動(dòng)動(dòng)情況和受受力情況的的結(jié)合．4．對(duì)于粒子子連續(xù)通過過幾個(gè)不同同情況的場(chǎng)場(chǎng)的問題，，要分階段段進(jìn)行處理理．5．畫出粒子子的運(yùn)動(dòng)軌軌跡，靈活活選擇不同同的運(yùn)動(dòng)規(guī)規(guī)律．(1)當(dāng)帶電粒子子在復(fù)合場(chǎng)場(chǎng)中做勻速速直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)，根據(jù)據(jù)受力平衡衡列方程求求解．(2)當(dāng)帶電粒子子在復(fù)合場(chǎng)場(chǎng)中做勻速速圓周運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)，應(yīng)用用牛頓定律律結(jié)合圓周周運(yùn)動(dòng)規(guī)律律求解．(3)當(dāng)帶電粒子子做復(fù)雜曲曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)時(shí)，一般用用動(dòng)能定理理或能量守守恒定律求求解．(4)對(duì)于臨界問問題，注意意挖掘隱含含條件．特別提醒：：(1)電子、質(zhì)子子、α粒子等一般般不計(jì)重力力，帶電小小球、塵埃埃、液滴等等帶電顆粒粒一般要考考慮重力的的作用．(2)注意重力、、電場(chǎng)力做做功與路徑徑無關(guān)，洛洛倫茲力始始終和運(yùn)動(dòng)動(dòng)方向垂直直、永不做做功的特點(diǎn)點(diǎn)．即時(shí)應(yīng)用(即時(shí)突破，，小試牛刀刀)3．(2020年杭州高二二檢測(cè))一個(gè)帶電粒粒子以初速速度v0垂直于電場(chǎng)場(chǎng)方向向右右射入勻強(qiáng)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域域，穿出電電場(chǎng)后接著著又進(jìn)入勻勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)區(qū)域．設(shè)電電場(chǎng)和磁場(chǎng)場(chǎng)區(qū)域有明明確的分界界線，且分分界線與電電場(chǎng)強(qiáng)度方方向平行，，如圖3－5－8中的虛線表表示．在圖圖所示的幾幾種情況中中，可能出出現(xiàn)的是()圖3－5－8解析：選AD.A、C選項(xiàng)中粒子子在電場(chǎng)中中向下偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，所以粒粒子帶正電電，再進(jìn)入入磁場(chǎng)后，，A圖中粒子應(yīng)應(yīng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，正確．．C圖中粒子應(yīng)應(yīng)順時(shí)針轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，錯(cuò)誤．．同理可以以判斷B錯(cuò)，D對(duì)．課堂互動(dòng)講練類型一帶電粒子在有界磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)例1如圖3－5－9所示，一束束電子(電荷量為e)以速度v垂直射入磁磁感應(yīng)強(qiáng)度度為B、寬度為d的勻強(qiáng)磁場(chǎng)場(chǎng)中，穿透透磁場(chǎng)時(shí)速速度方向與與原來入射射方向的夾夾角是30°，則電子的的質(zhì)量是________，穿透磁場(chǎng)場(chǎng)的時(shí)間是是________．圖3－5－9【思路點(diǎn)撥】由于洛倫茲茲力總是垂垂直于速度度方向，若若已知帶電電粒子的任任意兩個(gè)速速度方向，，就可以通通過作出兩兩速度的垂垂線，找出出兩垂線的的交點(diǎn)即為為帶電粒子子做圓周運(yùn)運(yùn)動(dòng)的圓心心．變式式訓(xùn)訓(xùn)練練1如圖圖3－5－10所示示，，在在圓圓形形區(qū)區(qū)域域里里，，有有勻勻強(qiáng)強(qiáng)磁磁場(chǎng)場(chǎng)，，方方向向如如圖圖所所示示，，有有一一束束速速率率各各不不相相同同的的質(zhì)質(zhì)子子自自A點(diǎn)沿沿半半徑徑方方向向射射入入磁磁場(chǎng)場(chǎng)，，這這些些質(zhì)質(zhì)子子在在磁磁場(chǎng)場(chǎng)中中()A．運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)時(shí)間間越越長長的的，，其其軌軌跡跡所所對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)的的圓圓心心角角越越大大B．運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)時(shí)間間越越長長的的，，其其軌軌跡跡越越長長C．運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)時(shí)間間越越短短的的，，射射出出磁磁場(chǎng)場(chǎng)時(shí)時(shí)，，速速率率越越小小D．運(yùn)動(dòng)時(shí)時(shí)間越短短的，射射出磁場(chǎng)場(chǎng)時(shí)，速速度方向向偏轉(zhuǎn)越越小圖3－5－10類型二對(duì)質(zhì)譜儀的理解和應(yīng)用例2如圖3－5－11所示是測(cè)測(cè)量帶電電粒子質(zhì)質(zhì)量的儀儀器的工工作原理理示意圖圖．設(shè)法法將某有有機(jī)化合合物的氣氣態(tài)分子子導(dǎo)入圖圖中所示示的容器器A中，使它它受到電電子束轟轟擊，失失去一個(gè)個(gè)電子變變成正一一價(jià)的分分子離子子．分子子離子從從狹縫S1以很小的的速度進(jìn)進(jìn)入電壓壓為U的加速電電場(chǎng)區(qū)(初速不計(jì)計(jì))，加速后后，再通通過狹縫縫S2、S3射入磁感感應(yīng)強(qiáng)度度為B的勻強(qiáng)磁磁場(chǎng)，方方向垂直直于磁場(chǎng)場(chǎng)區(qū)的界界面PQ.最后，分分子離子子打到感感光片上上，形成成垂直于于紙面而而且平行行于狹縫縫S3的細(xì)線．．若測(cè)得得細(xì)線到到狹縫S3的距離為為d，導(dǎo)出分分子離子子的質(zhì)量量m的表達(dá)式式．圖3－5－11【思路點(diǎn)撥撥】電場(chǎng)中粒粒子做加加速運(yùn)動(dòng)動(dòng)，速度度選擇器器則可以以使通過過S3的粒子具具有相同同的速度度，磁場(chǎng)場(chǎng)中帶電電粒子做做圓周運(yùn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)經(jīng)半個(gè)周周期打到到感光片片上．【規(guī)律總結(jié)結(jié)】熟練掌握握帶電粒粒子在電電場(chǎng)中加加速和磁磁場(chǎng)中做做勻速圓圓周運(yùn)動(dòng)動(dòng)的公式式，才能能較好地地解決題題目．變式訓(xùn)練練2如圖3－5－12為質(zhì)譜譜儀的的示意意圖．．速度度選擇擇部分分的勻勻強(qiáng)電電場(chǎng)場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)E＝1.2×105V/m，勻強(qiáng)強(qiáng)磁場(chǎng)場(chǎng)的磁磁感應(yīng)應(yīng)強(qiáng)度度為B1＝0.6T．偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)分離離器的的磁感感應(yīng)強(qiáng)強(qiáng)度為為B2＝0.8T．求：：(1)能通過過速度度選擇擇器的的粒子子速度度有多多大？？(2)質(zhì)子和和氘核核進(jìn)入入偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)分離離器后后打在在底片片上的的條紋紋之間間的距距離d為多少少？圖3－5－12答案：：(1)2××105m/s(2)5.2××10－3m類型三回旋加速器的應(yīng)用例3回旋加加速器器是用用來加加速帶帶電粒粒子使使它獲獲得很很大動(dòng)動(dòng)能的的儀器器，其其核心心部分分是兩兩個(gè)D形金屬屬盒，，兩盒盒分別別和一一高頻頻交流流電源源兩極極相連連，以以便在在盒間間的窄窄縫中中形成成勻強(qiáng)強(qiáng)電場(chǎng)場(chǎng)，使使粒子子每次次穿過過窄縫縫都得得到加加速，，兩盒盒放在在勻強(qiáng)強(qiáng)磁場(chǎng)場(chǎng)中，，磁場(chǎng)場(chǎng)方向向垂直直于盒盒底面面，粒粒子源源置于于盒的的圓心心附近近，若若粒子子源射射出的的粒子子電荷荷量為為q，質(zhì)量量為m，粒子子最大大回旋旋半徑徑為Rm，其運(yùn)運(yùn)動(dòng)軌軌跡如如圖3－