高中物理 第5章 磁场与回旋加速器 5 洛伦兹力与现代科技导学案 沪科版选修3-1-沪科版高二选修3-1物理学案VIP专享VIP免费

学案5洛伦兹力与现代科技[目标定位]1.了解回旋加速器的构造及工作原理，并会应用其原理解决相关问题.2.了解质谱仪的构造及工作原理.3.会分析带电粒子在匀强磁场中的圆周运动问题.一、回旋加速器[问题设计]回旋加速器主要由哪几部分组成？回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？答案两个D形盒磁场的作用是使带电粒子回旋，电场的作用是使带电粒子加速.[要点提炼]1.回旋加速器采用多次加速的办法：用磁场控制带电粒子做圆周运动的轨道、用电场对带电粒子进行加速.2.回旋加速器中交流电源的周期等于带电粒子在磁场中运动的周期.3.带电粒子获得的最大动能Ekm＝，决定于D形盒的半径r和磁感应强度B.二、质谱仪[问题设计]1.如图1所示，是速度选择器的原理图.带正电的粒子以速度v从左端进入两极板间，不计粒子的重力.要使粒子匀速通过该区域，粒子的速度应满足什么条件？图1答案粒子受电场力和洛伦兹力作用，电场力的方向向下，洛伦兹力的方向向上.当qE＝qvB，即v＝时粒子做匀速直线运动.2.阅读教材，总结质谱仪的构造和各部分的作用，并简述质谱仪的工作原理.答案质谱仪主要由以下几部分组成：离子源、加速电场U1、速度选择器(U2，B1)、偏转磁场B2及照相底片.工作原理：在加速电场中被加速：qU1＝mv2在速度选择器中匀速通过：q＝qvB1在偏转磁场中做圆周运动：r＝由此可求得离子的质量：m＝通过前两式也可求得离子的比荷：＝.[要点提炼]1.速度选择器(1)速度选择器中存在正交的电场和磁场，当粒子的速度满足v＝时，粒子能通过速度选择器，粒子的速度大于或小于，均不能通过速度选择器.(2)速度选择器适用于正、负电荷.(3)速度选择器中的E、B1的方向具有确定的关系，仅改变其中一个方向，就不能对速度做出1选择.2.质谱仪(1)质谱仪的组成：粒子源、加速电场、速度选择器、偏转磁场、照相底片.(2)质谱仪工作原理：带电粒子，经加速电场U加速，然后沿着与磁场垂直的方向进入匀强磁场B，在洛伦兹力作用下做圆周运动，最后打到照相底片D上，粒子进入磁场时的速率为v＝，在磁场中运动的轨道半径为r＝.三、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动问题的分析1.圆心的确定方法：两线定一点(1)圆心一定在垂直于速度的直线上.如图2甲所示，已知入射点P(或出射点M)的速度方向，可通过入射点和出射点作速度的垂线，两条直线的交点就是圆心.图2(2)圆心一定在弦的中垂线上.如图乙所示，作P、M连线的中垂线，与其中一个速度的垂线的交点为圆心.2.半径的确定半径的计算一般利用几何知识解直角三角形.做题时一定要做好辅助线，由圆的半径和其他几何边构成直角三角形.3.粒子在磁场中运动时间的确定(1)粒子在磁场中运动一周的时间为T，当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为α时，其运动时间t＝T(或t＝T).(2)当v一定时，粒子在磁场中运动的时间t＝，l为带电粒子通过的弧长.一、对回旋加速器原理的理解例1回旋加速器是用来加速一群带电粒子使它们获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属扁盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接，以便在盒内的狭缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过狭缝时都得到加速，两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，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Rmax.求：(1)粒子在盒内做何种运动；(2)所加交变电流频率及粒子角速度；(3)粒子离开加速器时的最大速度及最大动能.解析(1)带电粒子在盒内做匀速圆周运动，每次加速之后半径变大.(2)粒子在电场中运动时间极短，因此高频交变电流频率要等于粒子回旋频率，因为T＝，回旋频率f＝＝，角速度ω＝2πf＝.2(3)由牛顿第二定律知＝qBvmax则vmax＝最大动能Ekmax＝mv＝答案(1)匀速圆周运动(2)(3)方法点拨回旋加速器中粒子每旋转一周被加速两次，粒子射出时的最大速度(动能)由磁感应强度和D形盒的半径决定，与加速电压无关.二、对质谱仪原理的理解例2如图3所示是质谱仪的工作原理示意图，带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器.速度选择器内相互正交的匀强磁场的磁感应强度和匀强电场的场强分别为B和E.平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2.平板S下方有磁感应强度...