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        首页 高考人教四川专版物理选修3-1课件 第1部分 第三章 第5节 洛伦兹力的应用

        高考人教四川专版物理选修3-1课件 第1部分 第三章 第5节 洛伦兹力的应用.ppt

        高考人教四川专版物理选修3-1课件 第1部分 第三章 第5节 …

        简介:本文档为《高考人教四川专版物理选修3-1课件 第1部分 第三章 第5节 洛伦兹力的应用ppt》,可适用于人文社科领域

        .带电粒子在磁场中受到洛伦兹力作用利用磁场可以控制带电粒子的运动方向但不能改变带电粒子的速度大小。.回旋加速器由两个D形盒组成带电粒子在D形盒中做圆周运动每次在两D形盒之间的窄缝区域被电场加速加速电场的周期与粒子运动周期相同。.质谱仪把比荷不相等的粒子分开并按比荷顺序的大小排列故称之为ldquo质谱rdquo。自学教材.实例如图--所示为一具有圆形边界、半径为r的匀强磁场磁感应强度大小为B一个初速度大小为v的带电粒子(mq)沿该磁场的?#26412;?#26041;向从P点射入在作用下从Q点离开磁场。图--洛伦兹力圆心Bv方向大小()可以证明该粒子离开磁场时速度方向的反向延长线必过。()设粒子离开磁场时的速度方向与进入磁场时相比偏转了theta角则由图中几何关系可以看出taneqf(theta,)=eqf(r,R)?#20581;?#21487;见对于一定的带电粒子(mq一定)可以通过调节和的大小来控制粒子的偏转角度theta。.特点利用磁场控制带电粒子的运动只能改变粒子的运动而不能改变粒子的速度。eqf(qBr,mv)重点?#25925;停?#30005;偏转和磁偏转()电偏转:利用电场对运动电荷施加电场力作用从而控制其运动方向。()磁偏转:利用磁场对运动电荷施加洛伦兹力作用从而控制其运动方向。.电偏转和磁偏转的对比  分类项目  匀强电场中偏转匀强磁场中偏转偏转条件垂直电场线进入匀强电场(不计重力)垂直磁感线进入匀强磁场(不计重力)受力情况电场力F=Eq大小、方向都不变洛伦兹力F=qvB大小不变方向随v的方向的改变而改变运动类型类平抛运动?#20154;?#22278;周运动或其一部分运动轨迹抛物线?#19981;?#22278;的一部分  分类项目  匀强电场中偏转匀强磁场中偏转运动轨迹图求解方法处理偏移y和偏转角phi要通过类平抛运动的规律求解偏转y和偏转角phi要结合圆的几何关系通过对圆周运动的讨论求解动能变化动能增大动能不变.(middot新泰高二检测)一个带电粒子以初速度v垂直于电场方向向右射入匀强电场区域穿出电场后?#24188;?#21448;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--中的虚线所示。不计带电粒子的重力在图--所示的几种情况中可能出现的是(  )图--解析: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。C图中粒子应顺时针转错误。同理可以判断B错D对。答案:AD自学教材.比荷带电粒子的电荷量与质量之比也?#23567;#?#36136;谱仪测定带电粒子的仪器。荷质比荷质比.构造如图--所示主要由离子源(S上方图中未画出)、加速电场(狭缝S与S之间的电场)、速度选择器(S与S之间的装置)、偏转磁场B和照相底片等组成。图--.工作原理()速度选择器的工作原理:速度选择器是由P和P两平行金属板产生的场?#35838;狤的匀强电场及与电场方向垂直、磁感应强度为B的匀强磁场区域组成通过速度选择器的粒子满足:qvB=qE即v?#20581;qf(E,B)()质谱仪的工作原理:速度为v=eqf(E,B)的带电粒子通过狭缝S垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场区域在洛伦兹力的作用?#20262;?#21322;个圆周运动后打在底片上并被接收形成一个细条纹测出条纹到狭缝S的距离L就得出了粒子做圆周运动的半径R=eqf(L,)再由R=eqf(mv,qB)以及v和B即可得出粒子的比荷eqf(q,m)?#20581;qf(E,BBL)重点?#25925;?)速度选择器只选择粒子的速度(大小和方向)而不选择粒子的质量和电荷?#32771;?#30005;性。()从S与S之间得以加速的粒子的电性是固定的因此进入偏转磁场空间的粒子的电性也是固定的。()打在底片上同一位置的粒子只能判断其eqf(q,m)是相同的不能确定其质量或电量一定相同。.(middot温州高二检测)如图--所示在M、N两极板间有相互正交的匀强电场和匀强磁场一束离子沿平行于极板方向进入两板间沿直线运动然后进入磁感应强度为Bprime的偏转磁场内做半径相同的?#20154;?#22278;周运动则这束离子必定具有相同的(  )图--A.速度         B.电性C.质量D.比荷答案:AD解析:离子进入的速度满足v=eqf(E,B)时离子在两板间一定做直线运动而与离子的电性和质?#35838;?#20851;A正确B错。由R=eqf(mv,Bq)可知?#38381;?#20123;具有相同速度的离子进入偏转磁场Bprime后做半径相同的圆周运动时其比荷一定相同C错D正确。.构造()核心部分:两个D形盒中间留有窄缝装在巨大电磁铁之间的真空容器里如图--所示。自学教材()粒子源:放于窄缝中心附近。()磁场:方向垂直于金属盒底面。()电场:两盒分别接在周期性变化的交流电源的两极上窄缝中形成方向可变的加速电场方向垂直于窄缝。图--.工作原理如图--所示。()磁场作用:带电粒子磁场方向射入磁场时只在洛伦兹力作用?#20262;?#20854;周期与和无关。()交变电压的作用:在两D形盒狭缝间产生周期性变化的使带电粒?#29992;?#32463;过一次狭缝加速一次。()交变电压的周期(或频率):与带电粒子在磁场中做圆周运动的周期(或频率)。图--垂直?#20154;?#22278;周运动半径速率电场相同重点?#25925;?)在回旋加速器中粒子的速度逐渐增大但粒子在磁场中做?#20154;?#22278;周运动的周期T=eqf(pim,qB)始终不变。()粒子的最大半径等于盒的半径R=eqf(mv,qB)所以最大速度v=eqf(qBR,m)最大能动Ekm=eqf(,)mv=eqf(qBR,m)。即粒子所能达到的最大动能是由磁场B、D形盒的半径R、粒子的比荷qm共同决定与加速电场的电压无关。()粒子在回旋加速器盒中被加速的?#38382;齨=eqf(Ekm,Uq)(U是加速电压大小)一个周期加速两次。设在电场中加速的时间为t缝的宽度为d则nd=eqf(v,)tt=eqf(nd,v)。在磁场中运动的时间t=eqf(n,)T=eqf(npim,qB)总时间为t=t+t因为t?t一般认为在盒内的时间近似等于t。.年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器其原理如图--所示这台加速器由两个铜质D形盒D、D构成其间留有空隙下列说法正确的是(  )A.离子由加速器的中心附近进入加速器B.离子由加速器的边?#21040;?#20837;加速器C.离子从磁场中获得能量D.离子从电场中获得能量图--解析:离子从中心附近进入回旋加速器通过电场加速做功在磁场中偏转最后高速飞出加速器故A、D正确。答案:AD例 如图--所示匀强电场区域和匀强磁场区域是紧邻的且宽度相等均为d电场方向在纸平面内而磁场方向垂直纸面向里。一带正电粒子从O点以速度v沿垂直电场方向进入电场在电场力的作用下发生偏转从A点离开电场进入磁场离开电场时带电粒子在电场方向的位移为电场宽度的一半当粒子从C点穿出磁场时速度方向与进入电场O点时的速度方向一致(带电粒子重力不计)求?#21644;迹?)粒子从C点穿出磁场时的速度v()电场强度E和磁感应强度B的比值EB()粒子在电、磁场中运动的总时间。审题指导 解答本题时应注意以下两点:()粒子在电场中做类平抛运动。()粒子在磁场中做?#20154;?#22278;周运动。解析 ()粒子在电场中偏转:在垂直电场方向vperp=v平行电场分量v∥d=vperpmiddott=vmiddotteqf(d,)=eqf(v∥,)middott所以v∥=v得v=eqr()v。()在电场中运动时v∥=eqf(qE,m)middott=eqf(qE,m)middoteqf(d,v)得E=eqf(mvoal(),qd)。在磁场中运动如图所示。运动方向改变deg运动半径RR=eqf(d,sindeg)=eqr()d又qvB=eqf(mv,R)B=eqf(mv,qR)=eqf(mmiddotr()v,qmiddotr()d)=eqf(mv,qd)得eqf(E,B)=v。()粒子在磁场中运动时间tprime=eqf(f(pi,),pi)middotT=eqf(T,)=eqf(pim,qB)=eqf(pim,qf(mv,qd))=eqf(pid,v)t=eqf(d,v)运动总时间t总=t+tprime=eqf(d,v)+eqf(pid,v)。答案 ()eqr()v ()v ()eqf(d,v)+eqf(pid,v)()对于带电粒子在电场中做类平抛运动问题一般从分析沿电场方向的匀加速直线运动和垂直于电场方向的?#20154;?#30452;线运动来解决问题。()对于带电粒子在磁场中的?#20154;?#22278;周运动问题一般要分析运动轨迹、?#20197;?#24515;、求半径分析圆心角列相关方程解决问题。图--.如图--所示带电粒子以初速度v从a点进入匀强磁场运动中经过b点Oa=Ob若撤去磁场加一个与y轴平行的匀强电场仍以v从a点进入电场粒子仍能通过b点那么电场强度E与磁感应强度B之比eqf(E,B)为(  )A.v           Beqf(,v)C.vDeqf(v,)答案:C解析?#33655;鐿a=Ob=d因为带电粒子在磁场中做?#20154;?#22278;周运动所以圆周运动的半径正好等于d即r=eqf(mv,qB)=d得到B=eqf(mv,qd)。如果换成匀强电场水平方向以v做?#20154;?#30452;线运动竖直方向沿y轴负方向做匀加速运动即d=eqf(,)timeseqf(qE,m)times(eqf(d,v))得到E=eqf(mvoal(,),qd)所以eqf(E,B)=v选项C正确。例 (middot枣庄高二检测)如图--所示为某种质谱仪的结?#25925;?#24847;图。其中加速电场的电压为U静电分析器中与圆心O等距各点的电场强度大小相同方向沿径向指向圆心O磁分析器中在以O为圆心、圆心角为deg的扇形区域内分布着方向垂直于纸面的匀强磁场其左边界与静电分析器的右边界平?#23567;?#30001;离子源发出一质?#35838;猰、电荷?#35838;猶的正离子(初速度为零重力不计)经加速电场加速后从M点沿垂直于该点的场强方向进入静电分析器在静电分析器中离子沿半径为R的四分之?#36745;不?#36712;迹做?#20154;?#22278;周运动并从N点射出静电分析器。而后离子由P点沿着既垂直于磁分析器的左边界又垂直于磁场方向射入磁分析器中最后离子沿垂直于磁分析器下边界的方向从Q点射出并进入收集器。测量出Q点与圆心O的距离为d。图--()试求静电分析器中离子运动轨迹处电场强度E的大小()试求磁分析器中磁场的磁感应强度B的大小和方向。审题指导 解答本题时应注意以下两点:()在静电分析器中电场力提供离子做圆周运动的向心力。()在磁分析器中洛伦兹力提供离子做圆周运动的向心力。解析 设离子进入静电分析器时的速度为v离子在加速电场中加速的过程中由动能定理得:qU=eqf(,)mv①()离子在静电分析器中做?#20154;?#22278;周运动根据牛顿第二定律有:qE=meqf(v,R)②联立①②两式解得:E=eqf(U,R)③()离子在磁分析器中做?#20154;?#22278;周运动由牛顿第二定律有:qvB=meqf(v,r)④由题意可知圆周运动的轨道半径为:r=d⑤联立①④⑤式解得:B=eqf(,d)eqr(f(mU,q))⑥由左手定则判?#31995;?#30913;场方向垂直纸面向外。答案 ()eqf(U,R) ()eqf(,d)eqr(f(mU,q)) 方向垂直纸面向外质谱仪的原理中包括粒子的加速、力的平衡(速度选择器)、牛顿第二定律和?#20154;?#22278;周运动等知识分析粒子的运动过程建立各运动阶段的模型、理清各运动阶段之间的联系是解决此类问题的关键。如果离子的质?#35838;猰电量仍为q其他条件不变那么这个离子射出电场和磁场的位置是否变化请通过分析和数学?#39057;?#35828;明你的结论。解析?#33655;?#36136;?#35838;猰的离子经加速电场加速后的速度为v则qU=eqf(,)mveqoal()新离子进入静电分析器后F向=meqf(voal(),R)=eqf(Uq,R)=Eq。答案:见解析故离子所受电场力恰好提供离子做?#20154;?#22278;周运动的向心力故离子?#28304;覰点射出。设进入磁场后做?#20154;?#22278;周运动的半径为r则qvB=meqf(voal(),r)解得:r=eqf(,B)eqr(f(mU,q))=eqr()d故新离子在磁分析器中不能沿原来的轨迹从Q点射出磁场。例 如图--所示回旋加速器D形盒的最大半径为R匀强磁场垂直穿过D形盒面两D形盒的间隙为d。一质?#35838;猰、带电荷?#35838;猶的粒?#29992;?#32463;过间隙时都被加速加速电压大小为U。粒子从静止开始经多次加速当速度达到v时粒子从D形盒的边缘处射出。求?#21644;迹?)磁场的磁感应强度B的大小()带电粒子在磁场中运动的圈数n()粒子在磁场和电场中运动的总时间t。思路点拨 根据洛伦兹力公式可确定磁感应强度由动能定理可求得电子被加速的?#38382;?#36827;而求出其运动周期还要注意粒子在电场中运动的时间。解析 ()粒子在磁场中运动时有qvB=meqf(v,R)解得:B=eqf(mv,qR)。()带电粒?#29992;?#36716;动一周电子加速两次故由动能定理得:nmiddotqU=eqf(,)mv即n=eqf(mv,qU)。()粒子在磁场中运动的时间t=nT=neqf(piR,v)=eqf(pimvR,qU)粒子在电场中运动的加速度为a=eqf(qU,md)粒子在电场中运动的加速总位移为x=nd设粒子在电场中运动的时间为t则x=eqf(,)ateqoal(,)所以t=deqr(f(nm,qU))=eqf(mvd,qU)。t=t+t=eqf(pimvR,qU)+eqf(mvd,qU)=(piR+d)eqf(mv,qU)。答案 ()eqf(mv,qR) ()eqf(mv,qU) ()(piR+d)eqf(mv,qU)分析ldquo回旋加速器rdquo的有关问题常用的思维线索如下:D形盒半径R带电粒子离开加速器时的最大速度vm带电粒子获得的最大动能Ekmeqo(――rarr,sup(Ekm=nqU))带电粒子在电场中被加速的?#38382;齨带电粒子在磁场中的运动时间t。另外还需加强对回旋加速器工作条件的认识即交变电源的周期与带电粒子在磁场中做圆周运动的周期相等。unknownunknownunknown.一个用于加速质子的回旋加速器其核心部分如图--所示D形盒半径为R垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B两盒分别与交流电源相连。下列说法正确的是(  )A.质子被加速后的最大速?#20154;鍮、R的增大而增大B.质子被加速后的最大速?#20154;?#21152;速电压的增大而增大C.只要R足够大质子的速度可以被加速到?#25105;?#20540;D.不需要改变任何量这个装置也能用于加速alpha粒子图--答案:A解析:由r=eqf(mv,qB)得当r=R时质子有最大速度vmax=eqf(qBR,m)即B、R越大vmax越大vmax与加速电压无关A对B错。随着质子速度v的增大、质量m会发生变化据T=eqf(pim,qB)知质子做圆周运动的周期也变化所加交流电与其运动不再同步即质子不可能一直被加速下去C错。由上面周期公式知alpha粒子与质子做圆周运动的周期不同故此装置不能用于加速alpha粒子D错。

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