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教科版 (2019)选择性必修 第二册4 洛伦兹力的应用课文配套课件ppt
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这是一份教科版 (2019)选择性必修 第二册4 洛伦兹力的应用课文配套课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了运动方向，速度大小，qvB2，化学物质，同位素，提示不会会，交变电场，qvB等内容，欢迎下载使用。
1．知道质谱仪的工作原理和构造。2．知道回旋加速器的工作原理和构造，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。
必备知识·自主预习储备
知识点一 利用磁场控制带电粒子的运动1．特点：只改变带电粒子的______________，不改变带电粒子的___________。2．应用：早期电视机显像管利用随电视信号变化的____控制电子束的运动路径。知识点二 质谱仪1．原理及构造：如图所示。
提醒 比荷相同的粒子经相同加速电场加速后再进入相同偏转磁场偏转，打到感光底片的位置是相同的。
知识点三 回旋加速器1．工作原理及构造如图所示，D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电势差U。A处的粒子源产生的带电粒子在两盒之间被电场加速。D1、D2处于与盒面垂直的匀强磁场B中，粒子在磁场中做匀速圆周运动。经半个圆周(半个周期)后，当粒子再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒间电势差，使其恰好改变正负，于是粒子在盒缝间再次被加速。如果粒子每次通过盒间缝隙均能被加速，粒子速度就能够增加到很大。
思考 电场电压不同会不会影响最大动能？会影响运动时间吗？
[预习体验]1．思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)电视显像管中电子的偏转是因为电场力的作用。( )(2)利用质谱仪可以测得带电粒子的比荷。( )(3)利用回旋加速器加速带电粒子，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R。( )(4)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。( )
2．如图是质谱仪的工作原理示意图。带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器最后打在S板上。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为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下方有强度为B0的匀强磁场。则此粒子带____电荷且经过速度选择器时的速度大小为__，选择器内磁场方向为垂直纸面____(选填“向外”或“向内”)。
关键能力·情境探究达成
1．一束质量、速度和电荷量不同的正离子垂直地射入匀强磁场和匀强电场正交的区域，结果发现有些离子保持原来的运动方向，未发生任何偏转，它们速度有什么特点？2．如果让这些不偏转离子进入另一匀强磁场中，发现这些离子又分裂成几束，对这些进入另一磁场的离子，它们的比荷是否相同？
提示：1．相等 2．不同
考点1 质谱仪1．电场和磁场都能对带电粒子施加影响，电场既能使带电粒子加速，又能使带电粒子偏转；磁场虽不能使带电粒子速率变化，但能使带电粒子发生偏转。2．质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量及轨道半径确定其质量的仪器，叫作质谱仪。
[跟进训练]1．(多选)质谱仪的原理如图所示，虚线AD上方区域处在垂直纸面向外的匀强磁场中，C、D处有一荧光屏。同位素离子源产生a、b两种电荷量相同的离子，无初速度进入加速电场，经同一电压加速后，垂直进入磁场，a离子恰好打在荧光屏C点，b离子恰好打在D点。离子重力不计。则( )A．a离子质量比b的大B．a离子质量比b的小C．a离子在磁场中的运动时间比b的短D．a、b离子在磁场中的运动时间相等
2．电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的狭缝区域存在周期性变化的且垂直于两个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。根据动能定理：qU＝ΔEk。3．交变电压的作用：为保证粒子每次经过狭缝时都被加速，使之能量不断提高，需在狭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。
【典例2】 (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源两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，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，如图所示。设D形盒半径为R，若用回旋加速器加速质子时，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交流电频率为f，则下列说法正确的是( )A．质子被加速后的最大速度不可能超过2πf RB．质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关C．只要R足够大，质子的速度可以被加速到任意值D．不改变B和f，该回旋加速器也能用于加速α粒子
思路点拨：(1)粒子通过电场加速，但粒子最终获得的速度与电场无关。(2)粒子在磁场中做圆周运动的周期等于交变电压的周期。
[跟进训练]2．回旋加速器D形盒中央为质子流，D形盒的交流电压为U，静止质子经电场加速后，进入D形盒，其最大轨道半径为R，磁场的磁感应强度为B，质子质量为m。求：(1)质子最初进入D形盒的动能Ek为多大？(2)质子经回旋加速器最后得到的动能Ekm为多大？(3)交流电源的频率f 是多少？
学习效果·随堂评估自测
1．1932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D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是( )A．被加速的粒子从磁场中获得能量B．被加速的粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期随半径的增大而增大C．只增加狭缝间的加速电压，被加速粒子离开加速器时的动能增加D．想要粒子获得的最大动能增大，可增大D形盒的半径
3．如图所示，在xOy直角坐标系中，第Ⅰ象限内分布着方向垂直纸面向里的匀强磁场，初速度为零、带电量为q、质量为m的离子(重力不计)经过电压为U的电场加速后，从x轴上的A点垂直x轴进入磁场区域，经磁场偏转后垂直y轴过y轴上的P点。已知OA＝OP＝d。求：(1)带电粒子加速后的速度；(2)磁感应强度B的大小。
回归本节知识，自我完成以下问题：(1)质谱仪由加速电场和偏转磁场组成，主要用来测量什么？
提示：测量带电粒子的质量、比荷和同位素。
(2)回旋加速器中电场的作用是什么？最大能量是多少？
课时分层作业(四) 洛伦兹力的应用
2．质谱仪是分析同位素的重要工具，如图所示为质谱仪原理示意图。某种元素的两种同位素原子核从容器A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场；加速后垂直进入匀强磁场中，最后打在照相底片D上，形成两条质谱线a、b。设a、b对应的原子核质量分别为ma、mb，进入磁场时速率分别为va、vb，下列判断正确的是( )A．mambC．va>vb D．va＝vb
题组二 回旋加速器5．(多选)如图是回旋加速器的工作原理图。D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电压，A处的粒子源产生的带电粒子在两盒之间被电场加速。两半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，粒子在半圆盒中做匀速圆周运动。不计带电粒子在电场中的加速时间，不考虑由相对论效应带来的影响，则下列说法正确的是( )A．粒子在D形盒中的运动周期与两盒间交变电压的周期相同B．回旋加速器是靠电场加速的，因此其最大能量与电压有关C．回旋加速器是靠磁场加速的，因为其最大能量与电压无关D．粒子在回旋加速器中运动的总时间与电压有关
8．(2022·海南卷)有一个辐向分布的电场，距离O相等的地方电场强度大小相等，有一束粒子流通过电场，又垂直进入一匀强磁场，则运动轨迹相同的粒子，它们具有相同的( )A．质量 B．电量 C．比荷 D．动能
9．回旋加速器原理如图所示，D1和D2是两个中空的半圆形金属盒，置于与盒面垂直的匀强磁场中，它们接在交流电源上，位于D1圆心处的离子源A能不断产生正离子，它们在两盒之间被电场加速，当正离子被加速到最大动能Ek后，再设法将其引出。已知正离子的电荷量为q、质量为m，加速时电极间电压大小恒为U，磁场的磁感应强度为B，D形盒的半径为R，狭缝之间的距离为d。设正离子从离子源出发时的初速度为零。(1)试计算上述正离子被第一次加速后进入D2中运动的轨道半径；(2)计算正离子飞出时的最大动能；
(3)设该正离子在电场中的加速次数与回旋半周的次数相同，试证明当R≫d时，正离子在电场中加速的总时间相对于在D形盒中回旋的时间可忽略不计(正离子在电场中运动时，不考虑磁场的影响)。
10．甲图是示波器的结构示意图，乙图是电视机显像管的结构示意图。二者相同的部分是电子枪(给电子加速形成电子束)和荧光屏(电子打在上面形成亮斑)；不同的是使电子束发生偏转的部分；示波器是利用电场使电子偏转(偏转电极)，显像管是利用磁场使电子偏转(偏转线圈)。关于电子束从电子枪射出后到打在荧光屏上P点的过程中，下列说法正确的是( )
A．甲图中电子通过偏转电极速度发生了变化，乙图中电子通过偏转线圈速度没有变化B．电子在通过两种装置的过程中运动轨迹是完全相同的C．打在荧光屏上的电子，甲图中电子动能发生了变化，乙图中电子的动能没有变化D．甲图中电子在偏转电极间做匀速圆周运动，乙图中电子通过偏转线圈做类平抛运动
C [题图乙中电子通过偏转线圈速度大小没有变化，但方向发生变化，故A错误；电子在偏转电极中受电场力作用，做类平抛运动，轨迹为抛物线，而在偏转线圈中，受洛伦兹力作用，做圆周运动，轨迹不可能相同，故B错误；电子在偏转电极中做抛体运动，速度增大，动能增大，而在偏转线圈中，做匀速圆周运动，速度大小不变，动能不变，故C正确，D错误。故选C。]
11．(多选)质谱仪是一种测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图，离子源A产生电荷量相同而质量不同的离子束(初速度可视为零)，从狭缝S1进入电场，经电压为U的加速电场加速后，再通过狭缝S2从小孔垂直MN射入圆形匀强磁场。该匀强磁场的磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面向外，半径为R，磁场边界与直线MN相切，E为切点。离子离开磁场最终到达感光底片MN上，设离子电荷量为q，到达感光底片上的点位于E点右侧且与E点的距离为x，不计重力，可以判断( )
12．质谱仪可利用电场和磁场将比荷不同的离子分开，这种方法在化学分析和原子核技术等领域有重要的应用。如图所示，虚线上方有两条半径分别为R和r(R>r)的半圆形边界，分别与虚线相交于A、B、C、D点，圆心均为虚线上的O点，C、D间有一荧光屏。虚线上方区域处在垂直纸面向外的匀强磁场中，磁感应强度大小为B。虚线下方有一电压可调的加速电场，离子源发出的某一正离子由静止开始经电场加速后，从AB的中点垂直进入磁场，离子打在边界上时会被吸收。当加速电压为U时，离子恰能打在荧光屏的中点。不计离子的重力及电、磁场的边缘效应。求：(1)离子的比荷；(2)离子在磁场中运动的时间。
13．回旋加速器被广泛应用于科学研究和医学设备中。如图甲所示为回旋加速器的工作原理示意图，D1盒中心A处有离子源，它不断发出质子。加在狭缝间的交变电压如图乙所示，电压值的大小为U0、周期为T。已知质子电荷量为q，质量为m，D形盒的半径为R。设狭缝很窄，粒子通过狭缝的时间可以忽略不计。设质子从离子源发出时的初速度为零，不计质子重力。求：
(1)匀强磁场的磁感应强度B的大小；(2)质子在回旋加速器中获得的最大动能及加速次数；(3)质子在回旋加速器中运动的时间(假设质子经加速后在磁场中又转过半周后射出)。
1．知道质谱仪的工作原理和构造。2．知道回旋加速器的工作原理和构造，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。
必备知识·自主预习储备
知识点一 利用磁场控制带电粒子的运动1．特点：只改变带电粒子的______________，不改变带电粒子的___________。2．应用：早期电视机显像管利用随电视信号变化的____控制电子束的运动路径。知识点二 质谱仪1．原理及构造：如图所示。
提醒 比荷相同的粒子经相同加速电场加速后再进入相同偏转磁场偏转，打到感光底片的位置是相同的。
知识点三 回旋加速器1．工作原理及构造如图所示，D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电势差U。A处的粒子源产生的带电粒子在两盒之间被电场加速。D1、D2处于与盒面垂直的匀强磁场B中，粒子在磁场中做匀速圆周运动。经半个圆周(半个周期)后，当粒子再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒间电势差，使其恰好改变正负，于是粒子在盒缝间再次被加速。如果粒子每次通过盒间缝隙均能被加速，粒子速度就能够增加到很大。
思考 电场电压不同会不会影响最大动能？会影响运动时间吗？
[预习体验]1．思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)电视显像管中电子的偏转是因为电场力的作用。( )(2)利用质谱仪可以测得带电粒子的比荷。( )(3)利用回旋加速器加速带电粒子，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R。( )(4)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。( )
2．如图是质谱仪的工作原理示意图。带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器最后打在S板上。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为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下方有强度为B0的匀强磁场。则此粒子带____电荷且经过速度选择器时的速度大小为__，选择器内磁场方向为垂直纸面____(选填“向外”或“向内”)。
关键能力·情境探究达成
1．一束质量、速度和电荷量不同的正离子垂直地射入匀强磁场和匀强电场正交的区域，结果发现有些离子保持原来的运动方向，未发生任何偏转，它们速度有什么特点？2．如果让这些不偏转离子进入另一匀强磁场中，发现这些离子又分裂成几束，对这些进入另一磁场的离子，它们的比荷是否相同？
提示：1．相等 2．不同
考点1 质谱仪1．电场和磁场都能对带电粒子施加影响，电场既能使带电粒子加速，又能使带电粒子偏转；磁场虽不能使带电粒子速率变化，但能使带电粒子发生偏转。2．质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量及轨道半径确定其质量的仪器，叫作质谱仪。
[跟进训练]1．(多选)质谱仪的原理如图所示，虚线AD上方区域处在垂直纸面向外的匀强磁场中，C、D处有一荧光屏。同位素离子源产生a、b两种电荷量相同的离子，无初速度进入加速电场，经同一电压加速后，垂直进入磁场，a离子恰好打在荧光屏C点，b离子恰好打在D点。离子重力不计。则( )A．a离子质量比b的大B．a离子质量比b的小C．a离子在磁场中的运动时间比b的短D．a、b离子在磁场中的运动时间相等
2．电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的狭缝区域存在周期性变化的且垂直于两个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。根据动能定理：qU＝ΔEk。3．交变电压的作用：为保证粒子每次经过狭缝时都被加速，使之能量不断提高，需在狭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。
【典例2】 (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源两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，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，如图所示。设D形盒半径为R，若用回旋加速器加速质子时，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交流电频率为f，则下列说法正确的是( )A．质子被加速后的最大速度不可能超过2πf RB．质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关C．只要R足够大，质子的速度可以被加速到任意值D．不改变B和f，该回旋加速器也能用于加速α粒子
思路点拨：(1)粒子通过电场加速，但粒子最终获得的速度与电场无关。(2)粒子在磁场中做圆周运动的周期等于交变电压的周期。
[跟进训练]2．回旋加速器D形盒中央为质子流，D形盒的交流电压为U，静止质子经电场加速后，进入D形盒，其最大轨道半径为R，磁场的磁感应强度为B，质子质量为m。求：(1)质子最初进入D形盒的动能Ek为多大？(2)质子经回旋加速器最后得到的动能Ekm为多大？(3)交流电源的频率f 是多少？
学习效果·随堂评估自测
1．1932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D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是( )A．被加速的粒子从磁场中获得能量B．被加速的粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期随半径的增大而增大C．只增加狭缝间的加速电压，被加速粒子离开加速器时的动能增加D．想要粒子获得的最大动能增大，可增大D形盒的半径
3．如图所示，在xOy直角坐标系中，第Ⅰ象限内分布着方向垂直纸面向里的匀强磁场，初速度为零、带电量为q、质量为m的离子(重力不计)经过电压为U的电场加速后，从x轴上的A点垂直x轴进入磁场区域，经磁场偏转后垂直y轴过y轴上的P点。已知OA＝OP＝d。求：(1)带电粒子加速后的速度；(2)磁感应强度B的大小。
回归本节知识，自我完成以下问题：(1)质谱仪由加速电场和偏转磁场组成，主要用来测量什么？
提示：测量带电粒子的质量、比荷和同位素。
(2)回旋加速器中电场的作用是什么？最大能量是多少？
课时分层作业(四) 洛伦兹力的应用
2．质谱仪是分析同位素的重要工具，如图所示为质谱仪原理示意图。某种元素的两种同位素原子核从容器A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场；加速后垂直进入匀强磁场中，最后打在照相底片D上，形成两条质谱线a、b。设a、b对应的原子核质量分别为ma、mb，进入磁场时速率分别为va、vb，下列判断正确的是( )A．ma
题组二 回旋加速器5．(多选)如图是回旋加速器的工作原理图。D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电压，A处的粒子源产生的带电粒子在两盒之间被电场加速。两半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，粒子在半圆盒中做匀速圆周运动。不计带电粒子在电场中的加速时间，不考虑由相对论效应带来的影响，则下列说法正确的是( )A．粒子在D形盒中的运动周期与两盒间交变电压的周期相同B．回旋加速器是靠电场加速的，因此其最大能量与电压有关C．回旋加速器是靠磁场加速的，因为其最大能量与电压无关D．粒子在回旋加速器中运动的总时间与电压有关
8．(2022·海南卷)有一个辐向分布的电场，距离O相等的地方电场强度大小相等，有一束粒子流通过电场，又垂直进入一匀强磁场，则运动轨迹相同的粒子，它们具有相同的( )A．质量 B．电量 C．比荷 D．动能
9．回旋加速器原理如图所示，D1和D2是两个中空的半圆形金属盒，置于与盒面垂直的匀强磁场中，它们接在交流电源上，位于D1圆心处的离子源A能不断产生正离子，它们在两盒之间被电场加速，当正离子被加速到最大动能Ek后，再设法将其引出。已知正离子的电荷量为q、质量为m，加速时电极间电压大小恒为U，磁场的磁感应强度为B，D形盒的半径为R，狭缝之间的距离为d。设正离子从离子源出发时的初速度为零。(1)试计算上述正离子被第一次加速后进入D2中运动的轨道半径；(2)计算正离子飞出时的最大动能；
(3)设该正离子在电场中的加速次数与回旋半周的次数相同，试证明当R≫d时，正离子在电场中加速的总时间相对于在D形盒中回旋的时间可忽略不计(正离子在电场中运动时，不考虑磁场的影响)。
10．甲图是示波器的结构示意图，乙图是电视机显像管的结构示意图。二者相同的部分是电子枪(给电子加速形成电子束)和荧光屏(电子打在上面形成亮斑)；不同的是使电子束发生偏转的部分；示波器是利用电场使电子偏转(偏转电极)，显像管是利用磁场使电子偏转(偏转线圈)。关于电子束从电子枪射出后到打在荧光屏上P点的过程中，下列说法正确的是( )
A．甲图中电子通过偏转电极速度发生了变化，乙图中电子通过偏转线圈速度没有变化B．电子在通过两种装置的过程中运动轨迹是完全相同的C．打在荧光屏上的电子，甲图中电子动能发生了变化，乙图中电子的动能没有变化D．甲图中电子在偏转电极间做匀速圆周运动，乙图中电子通过偏转线圈做类平抛运动
C [题图乙中电子通过偏转线圈速度大小没有变化，但方向发生变化，故A错误；电子在偏转电极中受电场力作用，做类平抛运动，轨迹为抛物线，而在偏转线圈中，受洛伦兹力作用，做圆周运动，轨迹不可能相同，故B错误；电子在偏转电极中做抛体运动，速度增大，动能增大，而在偏转线圈中，做匀速圆周运动，速度大小不变，动能不变，故C正确，D错误。故选C。]
11．(多选)质谱仪是一种测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图，离子源A产生电荷量相同而质量不同的离子束(初速度可视为零)，从狭缝S1进入电场，经电压为U的加速电场加速后，再通过狭缝S2从小孔垂直MN射入圆形匀强磁场。该匀强磁场的磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面向外，半径为R，磁场边界与直线MN相切，E为切点。离子离开磁场最终到达感光底片MN上，设离子电荷量为q，到达感光底片上的点位于E点右侧且与E点的距离为x，不计重力，可以判断( )
12．质谱仪可利用电场和磁场将比荷不同的离子分开，这种方法在化学分析和原子核技术等领域有重要的应用。如图所示，虚线上方有两条半径分别为R和r(R>r)的半圆形边界，分别与虚线相交于A、B、C、D点，圆心均为虚线上的O点，C、D间有一荧光屏。虚线上方区域处在垂直纸面向外的匀强磁场中，磁感应强度大小为B。虚线下方有一电压可调的加速电场，离子源发出的某一正离子由静止开始经电场加速后，从AB的中点垂直进入磁场，离子打在边界上时会被吸收。当加速电压为U时，离子恰能打在荧光屏的中点。不计离子的重力及电、磁场的边缘效应。求：(1)离子的比荷；(2)离子在磁场中运动的时间。
13．回旋加速器被广泛应用于科学研究和医学设备中。如图甲所示为回旋加速器的工作原理示意图，D1盒中心A处有离子源，它不断发出质子。加在狭缝间的交变电压如图乙所示，电压值的大小为U0、周期为T。已知质子电荷量为q，质量为m，D形盒的半径为R。设狭缝很窄，粒子通过狭缝的时间可以忽略不计。设质子从离子源发出时的初速度为零，不计质子重力。求：
(1)匀强磁场的磁感应强度B的大小；(2)质子在回旋加速器中获得的最大动能及加速次数；(3)质子在回旋加速器中运动的时间(假设质子经加速后在磁场中又转过半周后射出)。
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