5.洛伦兹力的应用 (2).ppt

棠湖中学高二物理备课组棠湖中学高二物理备课组第三章第三章 磁场磁场第五节第五节 洛伦兹力的应用洛伦兹力的应用互动解疑互动解疑问题探究一：带电粒子在磁场中的偏转问题探究一：带电粒子在磁场中的偏转 问题探究二：问题探究二：速度选择器的应用速度选择器的应用 问题探究三：问题探究三：质谱仪的工作原理质谱仪的工作原理 问题探究四：问题探究四：回旋加速器的原理回旋加速器的原理 问题探究五：磁流体发电机的应用问题问题探究五：磁流体发电机的应用问题3、某些带电体是否考虑重力，要根据题目暗、某些带电体是否考虑重力，要根据题目暗示或示或运动状态运动状态来判定来判定一、带电粒子在磁场中的偏转一、带电粒子在磁场中的偏转1、带电的、带电的基本粒子基本粒子：如电子，质子，：如电子，质子，粒子，正负粒子，正负离子等。这些粒子所受重力和洛仑磁力相比在小得多，离子等。这些粒子所受重力和洛仑磁力相比在小得多，除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。（但并不能忽略质量）。（但并不能忽略质量）。2、带电微粒带电微粒：如带电小球、液滴、尘埃等。除非有：如带电小球、液滴、尘埃等。除非有说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。(一一)、带电粒子的重力是否考虑、带电粒子的重力是否考虑4.在匀强磁场中，一个带电粒子做匀速圆周运动，如果又垂直进入另一磁在匀强磁场中，一个带电粒子做匀速圆周运动，如果又垂直进入另一磁感应强度为原来磁感应强度倍的匀强磁场中，则：（）感应强度为原来磁感应强度倍的匀强磁场中，则：（）A粒子的速率加倍，周期减半粒子的速率加倍，周期减半B粒子的速率不变，轨道半径减半粒子的速率不变，轨道半径减半C粒子的速率减半，轨道半径为原来的四分之一粒子的速率减半，轨道半径为原来的四分之一D.粒子的速率不变，周期减半粒子的速率不变，周期减半6.如如图所图所示，一带电小球在一正交电场、磁场区域里做匀速圆周运动，电示，一带电小球在一正交电场、磁场区域里做匀速圆周运动，电场方向竖直向下，磁场方向垂直纸面向里，则下列说法正确的是场方向竖直向下，磁场方向垂直纸面向里，则下列说法正确的是()A.小球一定带正电小球一定带正电B.小球一定带负电小球一定带负电C.小球的绕行方向为顺时针小球的绕行方向为顺时针D.改变小球的速度大小，小球将不做圆周运动改变小球的速度大小，小球将不做圆周运动学与导学与导P P 9696dBev变式训练、变式训练、如图所示，一束电子（电量为如图所示，一束电子（电量为e)e)以速度以速度V V垂垂直射入磁感应强度为直射入磁感应强度为B B、宽度为、宽度为d d的匀强磁场，穿透磁的匀强磁场，穿透磁场时的速度与电子原来的入射方向的夹角为场时的速度与电子原来的入射方向的夹角为30300 0。求。求 :(1)(1)电子的质量电子的质量m=?m=?(2)(2)电子在磁场中的运动时间电子在磁场中的运动时间t=?t=?一、带电粒子在磁场中的偏转一、带电粒子在磁场中的偏转1、找圆心：方法、找圆心：方法2、定半径：、定半径：3、确定运动时间：、确定运动时间：几何法求半径几何法求半径向心力公式求半径向心力公式求半径利用利用v R利用弦的中垂线利用弦的中垂线一、带电粒子在磁场中的偏转一、带电粒子在磁场中的偏转(二二)、圆周运动分析思路、圆周运动分析思路练习练习.半径为半径为r的圆形空间内，存在着垂直于纸面的圆形空间内，存在着垂直于纸面向里的匀强磁场，一个带电粒子向里的匀强磁场，一个带电粒子(不计重力不计重力)从从A点以速度点以速度v0垂直磁场方向射入磁场中，并从垂直磁场方向射入磁场中，并从B点点射出射出.AOB=120，如图所示，如图所示，求求该带电粒子该带电粒子在磁场中运动的时间在磁场中运动的时间二、复合场问题分析二、复合场问题分析1 1、速度选择器速度选择器-垂直相交的电场和磁场垂直相交的电场和磁场带电粒子（带正电）带电粒子（带正电）q q以速度以速度v v垂直进入匀强电场，受垂直进入匀强电场，受电场力作用，运动方向将发生偏转，如图电场力作用，运动方向将发生偏转，如图2 2所示。若在所示。若在匀强电场范围内再加一个匀强磁场，使该带电粒子的运匀强电场范围内再加一个匀强磁场，使该带电粒子的运动不偏转，求所加匀强磁场的方向和磁感应强度的大小动不偏转，求所加匀强磁场的方向和磁感应强度的大小。（不计粒子的重力）。（不计粒子的重力）因为因为 f f洛洛=F=F 若将一个能通过某速度选择器的正电荷换成若将一个能通过某速度选择器的正电荷换成一个电量相等速度不变的负电荷，它还能通过该一个电量相等速度不变的负电荷，它还能通过该速度选择器吗？为什么？速度选择器吗？为什么？若速度小于这一速度，它还能通过该速度选择若速度小于这一速度，它还能通过该速度选择器吗？为什么？器吗？为什么？若大于这一速度，它还能通过该速度选择器吗若大于这一速度，它还能通过该速度选择器吗？为什么？为什么？二、复合场问题分析二、复合场问题分析互动解疑（二）速度选择器的应用（达成目标互动解疑（二）速度选择器的应用（达成目标2）例例.如图所示，在图中虚线所围的区域内存在电场如图所示，在图中虚线所围的区域内存在电场强度为强度为E的匀强电场和磁感应强度为的匀强电场和磁感应强度为B的匀强磁场，的匀强磁场，已知从左方水平射入的电子，通过该区域时未发生已知从左方水平射入的电子，通过该区域时未发生偏转，假设电子重力右忽略不计，则在该区域中的偏转，假设电子重力右忽略不计，则在该区域中的E和和B的方向可能是（）的方向可能是（）E竖直向上，竖直向上，B垂直纸面向外垂直纸面向外BE竖直向上，竖直向上，B垂直纸面向里垂直纸面向里CE和和B都沿水平方向，并与电都沿水平方向，并与电子运动方向相同子运动方向相同DE和和B都沿水平方向，并与电都沿水平方向，并与电子运动方向相反子运动方向相反2 2、质谱仪质谱仪-分离的电场和磁场分离的电场和磁场质谱仪，它可以很方便地帮助我们发现质谱仪，它可以很方便地帮助我们发现一些元素的同位素，或计算一些带电粒一些元素的同位素，或计算一些带电粒子的质量或荷质比。子的质量或荷质比。二、复合场问题分析二、复合场问题分析 互动解疑（三）质谱仪的工作原理（达成目标互动解疑（三）质谱仪的工作原理（达成目标3）例3.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.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.下列表述正确的是A.质谱仪是分析同位素的重要工具B.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外C.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于EBD.离子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，离子的荷质比越小3、回旋加速器、回旋加速器(1)两两D形盒中有形盒中有匀强磁场匀强磁场无电场，盒间缝无电场，盒间缝隙有隙有交变电场交变电场。(2)电场使粒子加速，磁场使粒子回旋。电场使粒子加速，磁场使粒子回旋。(3)粒子回旋的周期不随半径改粒子回旋的周期不随半径改变。变。让电场方向变化的周期与让电场方向变化的周期与粒子回旋的周期一致粒子回旋的周期一致，从而保，从而保证粒子始终被加速。证粒子始终被加速。(4)粒子离开回旋加速器的动能？粒子离开回旋加速器的动能？30(1)It/q (2)IU (3)离子在磁场中作圆周运动时有 即 粒子加速后的动能 除以式，整理后有 互动解疑（四）互动解疑（四）回旋加速器的原理回旋加速器的原理例4.1932年，劳伦斯和利文斯顿设计出了回旋加速器，回旋加速器的工作原理如图所示，置于高真空的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计。磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直。A处粒子源产生的粒子，质量为m、电荷量为+q，在加速器中被加速，加速电压为U。加速过程中不考虑相对论效应和重力作用。(1)求粒子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比；(2)求粒子从静止开始加速到出口处所需的时间；(3)实际使用中，磁感应强度和加速电场频率都有最大值的限制。若某一加速器磁感应强度和加速电场频率的最大值分别为Bm、fm，试讨论粒子能获得的最大动能EKm 4 4、磁流体发电机、磁流体发电机导电气体导电气体发电通道发电通道电极电极磁流体发电原理图磁流体发电原理图 使高温等离子体（导电流体）以高速进入磁场中，使高温等离子体（导电流体）以高速进入磁场中，由于洛仑兹力作用，结果在发电通道两侧的电极上产由于洛仑兹力作用，结果在发电通道两侧的电极上产生电势差。生电势差。互动解疑（五）互动解疑（五）磁流体发电机的应用问题磁流体发电机的应用问题例例5.如图所示，磁流体发电机的极板相距如图所示，磁流体发电机的极板相距d=0.2m，极板间有垂直于纸面向里的匀强磁场，极板间有垂直于纸面向里的匀强磁场，B=1.0T。外。外电路中可变负载电阻用导线与极板相连。电离气体以电路中可变负载电阻用导线与极板相连。电离气体以速率速率v=1100m/s沿极板射入，极板间电离气体等效内沿极板射入，极板间电离气体等效内阻阻r=0.1欧欧,试求此发电机的最大输出功率为多大？试求此发电机的最大输出功率为多大？IBdh5、霍尔效应、霍尔效应例例6 6、截面为矩形的、截面为矩形的金属导体金属导体，放在图所示的磁，放在图所示的磁场中，当导体中通有图示方向电流时，导体上、场中，当导体中通有图示方向电流时，导体上、下表面的电势之间有：下表面的电势之间有：A A B BC C D D无法判断无法判断5 5、霍霍尔效应尔效应有一定厚度和宽度的导电薄片，沿线长方向通有电有一定厚度和宽度的导电薄片，沿线长方向通有电流，当在流，当在垂直电流垂直电流方向加以匀强磁场时，在导电薄方向加以匀强磁场时，在导电薄片两侧片两侧产生一电势差，这一现象称为产生一电势差，这一现象称为霍尔效应霍尔效应NM NM=NM三、带电粒子在磁场中运动的多解问题三、带电粒子在磁场中运动的多解问题1、带电粒子的电性不确定形成多解 受洛仑兹力作用的带电粒子,可能带正电荷,也可能带负电荷,在相同的初速度下,正、负粒子在磁场中的轨迹不同，导致形成双解。2 2、临界状态不唯一形成多解、临界状态不唯一形成多解 带电粒子在洛仑兹力作用下飞越有界磁场时，由于带电粒子在洛仑兹力作用下飞越有界磁场时，由于粒子的运动轨迹是圆弧状，因此它可能穿过去了，粒子的运动轨迹是圆弧状，因此它可能穿过去了，也可能转过也可能转过180180从有界磁场的这边反向飞出，形成从有界磁场的这边反向飞出，形成多解多解3 3、运动的重复性形成多解、运动的重复性形成多解 带电粒子在磁场中运动时，由于某些因素的变化，带电粒子在磁场中运动时，由于某些因素的变化，例如磁场的方向反向或者速度方向突然反向，往往例如磁场的方向反向或者速度方向突然反向，往往运动具有反复性，因而形成多解。运动具有反复性，因而形成多解。例题7、一个带电粒子，沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场，粒子的一段径迹如图4所示，径迹上的每一小段可近似看成圆弧由于带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能量逐渐减小（带电量不变）从图中可以确定 A.粒子从a到b，带正电 B.粒子从b到a，带正电C.粒子从a到b，带负电 D.粒子从b到a，带负电 例8、如图所示，abcd为绝缘挡板围成的正方形区域，其边长为L，在这个区域内存在着磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里的匀强磁场正、负电子分别从ab挡板中点K，沿垂直挡板ab方向射入场中，其质量为m，电量为e若从d、P两点都有粒子射出，则正、负电子的入射速度分别为多少？（其中bP=L/4）知识小结知识小结1、利用磁场控制带电粒子的运动、利用磁场控制带电粒子的运动2、质谱仪：构造、原理、应用、质谱仪：构造、原理、应用3、回旋加速器：构造，原理，应用、回旋加速器：构造，原理，应用4、其他应用：磁流体发电机，电磁流、其他应用：磁流体发电机，电磁流量计，霍尔效应量计，霍尔效应必做题：必做题：学与导学与导选做题：选做题：学与导学与导思考题：思考题：学与导学与导作业布置作业布置