高中物理 第5章 磁场与回旋加速器 6 洛伦兹力与现代科技学案 沪科版选修3-1-沪科版高中选修3-1物理学案VIP专享VIP免费

洛伦兹力与现代科技1.了解洛伦兹力在现代科技中的广泛应用.2.知道回旋加速器和质谱仪的构造及工作原理.(重点、难点)一、回旋加速器1.发明：1930年美国的劳伦斯制成世界上第一台回旋加速器.2.构成：回旋加速器核心部分是两个D形金属扁盒，它们之间有一间隙，磁场方向垂直于D形盒的底面，交变电场在狭缝间Ｗ.3.原理：利用磁场使带电粒子做圆周运动，用交变电场实现对带电粒子加速的原理制成的.1.(1)回旋加速器工作时，电场必须是周期性变化的.()(2)回旋加速器中，磁场的作用是改变粒子速度的方向，便于多次加速.()(3)粒子在回旋加速器中加速次数的多少是由磁场决定的.()提示：(1)√(2)√(3)×二、质谱仪1.发明：质谱仪是由阿斯顿发明的，用来分析同位素和测量带电粒子质量Ｗ.2.原理：粒子经电场加速后，进入磁场将沿不同半径做圆周运动，打在底片上形成若干条细线，称为谱线，每一条谱线对应于一定的质量.2.(1)同位素在质谱仪中半径越大，质量就越大.()(2)照相底片上有几条谱线就有几种同位素.()(3)谱线越明显就说明这种同位素含量越少.()提示：(1)√(2)√(3)×对回旋加速器的理解学案导引1.经回旋加速器加速的粒子的速度跟哪些因素有关？2.回旋加速器中粒子的半径越来越大，周期如何变化？运动周期与加速电场周期有何关系？1.工作原理利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个D形盒和其间的窄缝内完成.(1)磁场的作用带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期与速度、半径均无关，带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间(半个周期)后平行电场方向进入电场中加速.(2)电场的作用回旋加速器两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速.(3)交变电压为保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使其能量不断提高，需在窄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.2.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，由r＝得v＝，若D形盒半径为R，则带电粒子的最终动能Em＝.可见，要提高带电粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R.(1)带电粒子在电场中的加速时间可以忽略不计，因为两个D形盒之间的缝隙很小，加速效果取决于加速电压，与缝隙宽度无关.(2)回旋加速器也不可能将粒子速度无限提高，当粒子的速度可与光速相比拟时，相对论效应就会显现，粒子的质量、运动周期都会发生变化，导致电场变化频率与粒子运动频率不同步，此时回旋加速器失去工作的条件.回旋加速器在核科学、核技术、核医学等高新技术领域得到了广泛应用，有力地推动了现代科学技术的发展.回旋加速器的原理如图所示，D1和D2是两个中空的半径为R的半圆金属盒，它们接在电压一定、频率为f的交流电源上，位于D1圆心处的质子源A能不断产生质子(初速度可以忽略，重力不计)，它们在两盒之间被电场加速，D1、D2置于与盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中.若质子束从回旋加速器输出时的平均功率为P，求输出时质子束的等效电流I与R、B、P、f的关系式(忽略质子在电场中的运动时间，其最大速度远小于光速).[思路点拨]解此题要理解带电粒子在回旋加速器的运动规律及电磁场的特点，同时掌握等效电流的计算方法.[解析]设质子质量为m，电荷量为q，质子离开加速器时速度大小为v，由牛顿第二定律知qvB＝m，质子运动的回旋周期为T＝＝，由回旋加速器工作原理可知，交流电源的频率与质子回旋频率相同，由周期T与频率的关系得f＝.设在t时间内离开加速器的质子数为N，则质子束从回旋加速器输出时的平均功率P＝，输出时质子束的等效电流I＝，由上述各式得I＝.[答案]I＝(1)回旋加速器原理就是带电粒子在匀强电场中加速，在匀强磁场中做圆周运动，使粒子偏转.(2)带电粒子在回旋加速器中运动的最大速度与D形盒半径有关，与所加电压大小无关.1.(多选)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，...