高二物理教科版选修31同步课件：第3章第5节洛伦兹力的应用.ppt

(×)
2．合作探究——议一议 (1)电视机显像管中电子束的偏转原理和示波管中电子束的偏
转原理一样吗？
提示：电视机显像管应用了电子束磁偏转的原理，而示波管 中电子束则是在电场中偏转，是电偏转的原理。
(2)回旋加速器两端所加的交流电压的周期由什么决定？
提示：为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使之能量不 断提高，交流电压的周期必须等于带电粒子在回旋加速器中做圆 周运动的周期即 T＝2qπBm。因此，交流电压的周期由带电粒子的质 量 m、带电量 q 和加速器中的磁场的磁感应强度 B 来决定。
第5节
洛伦兹力的应用
1．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。
2．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 周期与粒子圆周运动周期相同。回旋加速 器是由劳伦斯发明的。
(2)交变电压的作用：在两 D 形盒狭缝间产生 周期性变化的 电场 ，使带电粒子每经过一次狭缝
加速一次，如图 3-5-4 所示。
图 3-5-4
(3)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) 相同 。
1．自主思考——判一判
(1)沿半径方向射入圆形磁场的粒子一定沿半径方向离开磁场。 (√ )
(3)一束电子进入回旋加速器加速，电子出来时的速度大小 与回旋加速器的半径有什么关系？ 提示：根据半径公式 R＝mqBv，可得 v＝qBmR，由于电子的 电荷量和质量一定，回旋加速器中的磁感应强度一定，故
电子出来的速度大小与回旋加速器的半径成正比。
电偏转与磁偏转
1．什么叫电偏转和磁偏转 (1)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。 (2)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。
有窄缝，装在巨大电磁铁之间的真空容
器里，如图 3-5-3 所示。 (2)粒子源：放于窄缝中心附近。
图 3-5-3
(3)磁场：方向垂直于金属盒底面。
(4)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。
2．工作原理 (1)磁场作用：带电粒子 垂直 磁场方向射入磁 场时，只在洛伦兹力作用下做 匀速圆周运动 ，其 周期与 半径 和 速率 无关。
(2)带电粒子在磁场中运动的偏转角等于运动轨迹圆弧所对应的圆心
角的 2 倍。
(× )
(3)带电粒子在磁场中偏转时，速度的方向改变而速度的大小不变。
(√) (4)速度选择器既可以选择粒子的速度，也可以选择粒子的电性。( × )
(5)应用质谱仪可以测定带电粒子的比荷。
(√ )
(6)回旋加速器两狭缝可以接直流电源。
图 3-5-5
(1)求电子打到 D 点的动能； (2)电子的初速度 v0 必须大于何值，电子才能飞出极板； (3)若极板间没有电场，只有垂直纸面的匀强磁场，磁感应 强度大小为 B，电子从极板左端的正中央以平行于极板的初速 度 v0 射入，如图乙所示，则电子的初速度 v0 为何值时，电子才 能飞出极板？ [思路点拨] (1)电子在板间运动时只有电场力做功。 (2)电子要飞出极板，其偏转位移 y 必须满足 y<d2。 (3)在极板间加上磁场时，电子可能从左侧也可能从右侧飞 出极板。
2．电偏转和磁偏转的对比
匀强电场中偏转
匀强磁场中偏转
垂直电场线进入匀强 垂直磁感线进入匀强磁场
偏转条件
电场(不计重力)
(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
匀速圆周运动或其一部分
运动轨迹
抛物线
圆或圆的一部分运动
B2 的匀强磁场区域，在洛伦兹力的作用下做半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 S3 的距离 L，就
得出了粒子做圆周运动的半径
2E
R＝L2，再由
R＝qmBv2以及
v
和
B2
即
可得出粒子的比荷mq ＝__B_1_B__2L__。
三、回旋加速器
1．构造
(1)核心部分：两个 D 形盒，中间留
利用磁场控制带电粒子的运动，只能改变粒子的运动 方__向__而不能改变粒子的速度 大小 。
二、质谱仪
1．比荷 带电粒子的电荷量与质量之比，也叫 荷质比 。
2．质谱仪 测定带电粒子 比荷 的仪器。 3．构造
如图 3-5-2 所示，主要由离子源(S1 上 方，图中未画出)、加速电场(狭缝 S1 与 S2 之间的电场)、速度选择器(S2 与 S3 之间的装 置)、偏转磁场 B2 和照相底片等组成。
3．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“质谱”。 质谱仪是阿斯顿发明的。
一、利用磁场控制带电粒子运动
1．实例 如图 3-5-1 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 v0 的带电粒子(m，q)沿该磁场的直径方向从 P
点射入，在 洛伦兹力作用下从 Q 点离开磁场。 图 3-5-1
(1)可以证明，该粒子离开磁场时速度方向的反向延长线
必过 圆心 。Baidu Nhomakorabea
(2)设粒子离开磁场时的速度方向与进入磁场时相比偏
qBr 转了 θ 角，则由图中几何关系可以看出 tanθ2＝Rr ＝__m__v_0__。
可见，对于一定的带电粒子(m，q 一定)，可以通过调节
__B_和 v0 的大小来控制粒子的偏转角度 θ。 2．特点
图 3-5-2
4．工作原理
(1)速度选择器的工作原理：
速度选择器是由 P1 和 P2 两平行金属板产生的场强为 E 的匀强 电场及与电场方向垂直、磁感应强度为 B1 的匀强磁场区域组成， 通过速度选择器的粒子满足：
E
qvB1＝qE 即 v＝__B_1_。
(2)质谱仪的工作原理：
速度为 v＝BE1的带电粒子通过狭缝 S3 垂直进入磁感应强度为
匀强电场中偏转
匀强磁场中偏转
轨迹图
求解方 法处理
偏移y和偏转角φ要 通过类平抛运动的 规律求解
动能变化
动能增大
偏转y和偏转角φ要结合 圆的几何关系通过对圆 周运动的讨论求解
动能不变
[典例] 有一平行板电容器，内部为真空，两个极板的间距为 d，极板长为 L，极板间有一匀强电场，U 为两极板间的电压，电 子从极板左端的正中央以初速度 v0 射入，其方向平行于极板，并打 在极板边缘的 D 点，如图 3-5-5 甲所示。电子的电荷量用 e 表示， 质量用 m 表示，重力不计。回答下面问题(用字母表示结果)。