2012《金榜奪冠》物理一輪第九章第三單元第5課時.ppt

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1、第三單元復合場問題及STS問題 第5課時復合場中的STS題型探究,選修3-1 第九章磁場,“STS”是“科學技術社會”的簡稱物理學是前人在認識與探索自然的過程中通過總結、歸納、抽象、驗證而逐步建立、不斷完善起來的一門自然科學物理學與“STS”有著天然的、廣泛的、更直接的聯(lián)系 帶電粒子在復合場中運動的實際應用有速度選擇器、磁流體發(fā)電機、質譜儀、回旋加速器、霍爾效應、電磁流量計、電磁偏轉技術等,,基礎回顧,考點一 速度選擇器,1.含義：如右圖所示，由于所受重力可忽略不計，運動方向相同而速率不同的正粒子組成的粒子束射入相互正交的勻強電場和勻強磁場所組成的場區(qū)中,已知電場強度大小為E，方向向下；

2、磁感應強度大小為B，方向垂直紙面向,里若具有某一水平速度v的帶電粒子能沿著圖中所示的虛線穿過而不發(fā)生偏轉，其他速度的帶電粒子將發(fā)生偏轉這種器件就能把具有以上速度v的粒子選擇出來，所以叫做速度選擇器,2射入速度必須適合的條件是：v__________.根據是：________________.,答案： 1E/BqvBqE,要點深化,特點：分為三個方面 1速度選擇器只選擇速度，與荷質比無關，也與電性無關；如換負電荷從左端射入，只要速度適合：vE/B，也一樣可從右端選擇出來 2若從右端射入，而復合電磁場的方向沒有相應改變，則無論速度是否適合vE/B，都不能從左端選擇出來 3當正粒子的速度vvE/B時

3、，則qvBqE，粒子向上偏轉；當正粒子的速度vvE/B時，則qvBqE，粒子向下偏轉,題型訓練,1.如圖所示，一束正離子垂直地射入正交的勻強磁場和勻強電場區(qū)域里，結果發(fā)現(xiàn)有些離子保持原來的運動方向未發(fā)生任何偏轉如果讓這些不偏轉的離子再垂直進入另一勻強磁場中，發(fā)現(xiàn)這些離子又分成幾束對這些進入后一磁場的不同軌跡的離子，可得出結論(),A它們的動量一定各不相同 B它們的電荷量一定各不相同 C它們的質量一定各不相同 D它們的電荷量與質量之比一定各不相同,解析：從第一個磁場進入另一個磁場的離子一定滿足qvBqE，即vE/B，這些離子的速度相同，又在后一磁場中 ，由于v、B相同，而R不同，所以m/q

4、不同 答案：D,,基礎回顧,考點二 質譜儀,1結構：帶電粒子注入器；加速電場； 速度選擇器(B1、E)； 偏轉磁場(B2)；照相底片,2含義：含有電荷相同而質量有微小差別的粒子，它們經過電勢差為U的電場加速后，垂直進入磁感應強度為B的勻強磁場，它們進入磁場后將沿不同的半徑做圓周運動，打到照相底片的不同地方，在底片上形成若干譜線狀的細線，如右圖所示(M、N線)每一條譜線對應于一定的________，從譜線的位置可以知道圓周的半徑，又已知帶電粒子的電荷量q，可以算出帶電粒子的________，所以叫做質譜線,3用途：質譜儀是測量帶電粒子的________和分析同位素的重要工具徑,4原理：如上圖所示

5、，設有質量為m、電荷量為q的帶負電粒子(不計重力)粒子從注入器進入加速電場的初速度為零，經過電勢差為U的電場加速，進入磁感應強度為B1、電場強度為E的速度選擇器，后進入磁感應強度為B2的偏轉磁場，沿著半圓周到達記錄它的照相底片上，假設是M點，M點距離小孔O為x.則帶電粒子的質量m____________.,答案：2質量質量3.質量,要點深化,1質譜儀加入速度選擇器，目的是對選擇速度相同的同位素通過偏轉磁場進行檢測這樣對加速電場的電壓就提出了要求 帶電粒子經過加速電場后獲得的動能,而在速度選擇器中，由qvB1qE，得v,就是說，只有符合,,的粒子,,才能從選擇器的小孔中進入偏轉電場,由此得U

6、 ，U要隨著同位素的質量的改變而改變如果U不變，有許多不同的同位素從該加速電場加速后進入速度選擇器，則那些不符合 條件的粒子將發(fā)生偏轉，無法進入偏轉磁場只有符合 即 的同位素才能進入偏轉磁場，這樣在照相底片上僅有一條線，故本裝置有一定的局限性,,2關于 的推導,在速度選擇器中，由qvB1qE，得v ， 在偏轉磁場中，有qvB2 ， 而由圖知軌跡半徑r ， 以上三式可解得： .,3去除速度選擇器的質譜儀,如右圖所示，在加速電場中 mv2qU 在偏轉磁場中 qvB ，r 以上三式可解得：m .,題型訓練,2.如圖所示是質譜儀工

7、作原理的示意圖帶電粒子a、b經電壓U加速(在A點初速度為零)后，進入磁感應強度為B的勻強磁場做勻速圓周運動，最后分別打在感光板S上的x1、x2處圖中半圓形的虛線分別表示帶電粒子a、b所通過的路徑，則(),Aa的電荷量一定大于b的電荷量 Ba的電荷量一定小于b的電荷量 Ca的質量一定大于b的質量 Da的比荷(q a/ma)大于b的比荷(qb/mb),2解析：在加速電場中， mv2qU，在偏轉磁場中，qvB ，r ，以上三式可解得： 因為x2x1，所以qa/maqb/mb，本題由于沒有說明是研究同位素的，故AB不能選,答案：D,,基礎回顧,考點三 回旋加速器,1.構造：如右圖所示，粒子源；兩

8、個D形金屬盒；巨大的電磁鐵；高頻電源；粒子引出裝置,2原理：帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動，其周期T 跟運動________和軌道________無關，對一定的帶電粒子和一定的磁感應強度來說，這個周期是恒定的因此，盡管粒子的速率和半徑一次比一次增大，運動周期卻始終不變這樣，如果在兩個D形盒間形成一個交變電場，使它也以________的周期T 往復變化，那就可以保證粒子每經過兩個D形盒之間時都正好趕上適合的電場方向而被________ 3用途：回旋加速器是產生大量高能量(主要是動能)的帶電粒子的實驗設備,答案： 2速率半徑相同加速,要點深化,1帶電粒子在回旋加速器內運動，決定其最終

9、能量的因素 由于盒的半徑的約束，粒子最終從加速器內射出時應具有相同的旋轉半徑 根據牛頓運動定律：qvB ，得：v . 故粒子離開加速器時獲得的動能為Ek mv2 故要提高加速粒子最后的能量，應盡可能增大磁感應強度B和加速器的半徑r.,,2決定帶電粒子在回旋加速器運動時間長短的因素 帶電粒子在回旋加速器內運動時間長短，與帶電粒子做勻速圓周運動的周期有關，同時還與帶電粒子在磁場中轉動的圈數有關設帶電粒子在磁場中轉動的圈數為n，加速電壓為U.因每加速一次粒子獲得能量為qU，每圈有兩次加速結合Ekn 知，2nqU ，因此n .所以帶電粒子在回旋加速器內運動時間,題型訓練

10、,3.如右圖所示，回旋加速器D形盒的半徑為R，用來加速質量為m、電荷量為q的質子，使質子由靜止加速到的最大動能為Ek后，由A孔射出，忽略帶電粒子在電場中運動的時間求：,(1)加速器中勻強磁場B的大小和方向 (2)設兩D形盒間距為d，其間電壓為U，電場視為勻強電場，質子每次經過電場加速后動能增加，加速到上述最大動能所需回旋周數為多少？ (3)加速到上述最大動能所需時間為多少？,,解析：(1)帶電粒子在磁場中， 由qvB 得 v 把它代入Ek 得： Ek . 所以B ，方向豎直向下,mv2,(2)帶電粒子每經過一個周期被電場加速二次，動能增加2qU，則 Ekn(2qU)， 所以加速

11、到上述最大動能所需回旋周數為 n .,(3)帶電粒子在磁場中運行周期：,所以t總nT ,答案：(1) 方向豎直向下 (2) (3),,基礎回顧,考點四 霍爾效應,含義：如右圖所示，厚度為h，寬度為d的超導體板(也稱為霍爾導體)放在垂直于它的磁感應強度為B的勻強磁場中，當電流I通過導體板時，在導體板的上側面A和下側面A之間產生電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應此電勢差稱為霍爾電壓,霍爾系數：當磁場不太大時，霍爾電壓U跟I和B的關系為U ，式中的比例系數K稱為霍爾系數,要點深化,1霍爾電壓U 的推導,設霍爾導體中自由電荷(也稱為載流子)是自由電子圖中電流方向向右

12、，則電子受洛倫茲力向上，在上表面A積聚電子，直到平衡時：qvBqE， 由此得：EBv 電勢差UEhBhv. 又InqSv，S為導體的橫截面積Shd 得：v 所以UBhv .,2測定導體內自由電荷的濃度n，判斷導體內是何種自由電荷 只要測出B、I、U和d，可得霍爾系數K和n.測出霍爾電壓U的正、負，即可判斷自由電荷的類型 3磁強計測量磁感應強度B的儀器,磁強計中有一塊導體，接有a、b、c、d四個電極，導體置于勻強磁場中，如右圖所示，a、b間通有電流I，c、d間出現(xiàn)電勢差U.由上面的討論可得B ，則BU.只要將磁強計在已知的磁場中定好刻度，即可通過測量U來確定B.,題型訓練,

13、4.如圖所示是電磁流量計的原理圖，橫截面為長方形的一段管道，其中空部分的長、寬、 高分別為圖中的a、b、c.流量計的兩端與輸送流體的管道連接(圖中虛線),圖中流量計的上下兩面是金屬材料，前后兩側面是絕緣材料現(xiàn)于流量計所在處加磁感應強度為B的勻強磁場，磁場方向垂直于前后兩面當導電流體穩(wěn)定地流經流量計時，在管外將流量計上、下兩表面分別與一串接了電阻R的電流表的兩端連接，I表示測得的電流值已知流體的電阻率為，不計電流表的內阻，則可求得流量為(),,解析：I ，r ，evB，Qvbc，以上各式解得：,答案：A,,,基礎回顧,考點五 磁偏轉技術,1電視機的顯像管中，電子束的偏轉是用______

14、__技術實現(xiàn)的，下圖就是電視機顯像管的示意圖,2.受力特征 在“磁偏轉”中，質量為m，電荷量為e的電子以速度v垂直射入磁感應強度為B的勻強磁場中時，所受的洛倫茲力fBevB與粒子的速度v有關，fB所產生的加速度使電子的速度方向發(fā)生變化，而速度方向的變化反過來又導致fB的方向變化，fB是變力 3運動規(guī)律 在“磁偏轉”中，變化的fB使電子做變速曲線運動勻速圓周運動,答案：1磁偏轉,要點深化,電子“電偏轉”和“磁偏轉”的比較,,,題型訓練,5如下圖所示為電視機顯像管示意圖電子束經過電壓為U2103 V的加速電場后，進入一圓形勻強磁場區(qū)磁場方向垂直于圓面向里，磁場區(qū)的中心為O，半徑r10 cm.磁場右

15、邊界到熒光屏的距離為L20 cm.當不加磁場時，電子束將通過O點而打到屏幕的中心P0點，為了讓電子束射到屏幕邊緣P，需要加磁場，使電子偏轉，已知 30 cm，電子的質量為m91031 kg，電子的電荷量e1.61019 C求此時磁場的磁感應強度B.,解析：電子束經過電場加速后，根據動能定理可以求出進入磁場時的速度，在磁場中受洛倫茲力的作用電子將發(fā)生偏轉，要求出磁感應強度值，就應求粒子做圓周運動的半徑 如下圖所示，電子在磁場中沿圓弧ab運動，圓心為C，半徑為R，以v表示電子進入磁場時的速度,在加速電場，根據動能定理，有：,eU mv2,洛倫茲力提供向心力，有：,由圖可知：,,聯(lián)立并代入數據解得：,答案：,祝,您,學業(yè)有成,