高中物理第5章磁場(chǎng)與回旋加速器教案（打包7套）滬科版.zip

高中物理第5章磁場(chǎng)與回旋加速器教案（打包7套）滬科版.zip,高中物理,磁場(chǎng),回旋加速器,教案,打包,滬科版 5.6　洛倫茲力與現(xiàn)代科技 1．回旋加速器的原理 使帶電粒子(例如電子、質(zhì)子、α粒子等)獲得高能量的設(shè)備就是加速器。 回旋加速器：它由兩個(gè)正對(duì)的D形扁盒組成，兩D形扁盒之間有一個(gè)狹縫，置于真空中，兩狹縫間加高頻交流電壓。垂直于D形盒平面加勻強(qiáng)磁場(chǎng)。D形金屬扁盒屏蔽了外電場(chǎng)，確保盒內(nèi)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。 預(yù)習(xí)交流1 同一種帶電粒子以不同的速度垂直磁場(chǎng)邊界、垂直磁感線射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，則可知： (1)帶電粒子進(jìn)入磁場(chǎng)的速度值有幾個(gè)？ (2)這些速度的大小關(guān)系為________。 (3)三束粒子從O點(diǎn)出發(fā)分別到達(dá)1、2、3點(diǎn)所用時(shí)間關(guān)系為__________。 答案：(1)同一種帶電粒子進(jìn)入同一磁場(chǎng)，速度不同使軌道半徑不同，故帶電粒子進(jìn)入磁場(chǎng)的速度值有三個(gè)。 (2)r1＜r2＜r3，由r＝，得v1＜v2＜v3。 (3)周期T1＝T2＝T3，軌跡均為半圓，所用時(shí)間為半個(gè)周期，故時(shí)間關(guān)系為t1＝t2＝t3。 2．質(zhì)譜儀 是一種分析各化學(xué)元素的同位素和測(cè)量帶電粒子質(zhì)量的精密儀器。 預(yù)習(xí)交流2 如圖所示，空間有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B、方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，一束電子流以速度v從水平方向射入，為了使電子流經(jīng)過磁場(chǎng)時(shí)不偏轉(zhuǎn)(不計(jì)重力)，則在磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)必須同時(shí)存在一個(gè)勻強(qiáng)電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)的大小和方向應(yīng)是(　　)。 A．B/v，豎直向上 B．B/v，方向水平向左 C．Bv，豎直向下 D．Bv，豎直向上 答案：C 一、回旋加速器 在現(xiàn)代物理學(xué)中，人們?yōu)樘剿髟雍藘?nèi)部的構(gòu)造，需要用能量很高的帶電粒子去轟擊原子核。美國物理學(xué)家勞倫斯于1932年發(fā)明了回旋加速器，巧妙地利用較低的高頻電源對(duì)粒子多次加速使之獲得巨大能量。那么回旋回速器的工作原理是什么呢？ 答案：利用電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的加速作用和磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的偏轉(zhuǎn)作用來獲得高能粒子，這些過程在回旋加速器的核心部件——兩個(gè)D形盒和其間的窄縫內(nèi)完成，如圖所示。 (1)磁場(chǎng)的作用：帶電粒子以某一速度垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后，并在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其周期和速率、半徑均無關(guān)(T＝)，帶電粒子每次進(jìn)入D形盒都運(yùn)動(dòng)相等的時(shí)間(半個(gè)周期)后平行電場(chǎng)方向進(jìn)入電場(chǎng)中加速。 (2)電場(chǎng)的作用：回旋加速器的兩個(gè)D形盒之間的窄縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩D形盒正對(duì)截面的勻強(qiáng)電場(chǎng)，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時(shí)被加速。 (3)交變電壓：為了保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫時(shí)都被加速，使之能量不斷提高，須在窄縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變電壓。 回旋加速器是用來加速一群帶電粒子使它獲得很大動(dòng)能的儀器，其核心部分是兩個(gè)D形金屬扁盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相接，以便在盒間的窄縫中形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，使粒子每穿過狹縫都得到加速，兩盒放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子源射出的粒子電荷量為q，質(zhì)量為m，粒子最大回旋半徑為Rmax，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖，問： (1)盒內(nèi)有無電場(chǎng)？ (2)粒子在盒內(nèi)做何種運(yùn)動(dòng)？ (3)所加交流電頻率應(yīng)是多大，粒子角速度為多大？ (4)粒子離開加速器時(shí)速度為多大，最大動(dòng)能為多少？ (5)設(shè)兩D形盒間電場(chǎng)的電勢(shì)差為U，盒間距離為d，其電場(chǎng)均勻，求加速到上述能量所需時(shí)間。 答案：見解析 解析：(1)扁盒由金屬導(dǎo)體制成，具有屏蔽外電場(chǎng)作用，盒內(nèi)無電場(chǎng)。 (2)帶電粒子在盒內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，每次加速之后半徑變大。 (3)粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間極短，因此高頻交流電壓頻率要等于粒子回旋頻率，因?yàn)門＝，回旋頻率f＝＝，角速度ω＝2πf＝。 (4)設(shè)粒子最大回旋半徑為Rmax，則由牛頓第二定律得qvmaxB＝， 故vmax＝，最大動(dòng)能Emax＝mv＝∝R。 (5)粒子每旋轉(zhuǎn)一周增加能量2qU。提高到Emax，則旋轉(zhuǎn)周數(shù)n＝ 在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t磁＝nT＝·＝ 若忽略粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間，t磁可視為總時(shí)間，若考慮粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間，在D形盒兩窄縫間的運(yùn)動(dòng)可視為初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。 2n·d＝t，所以t電＝，將n＝代入得：t電＝ 所以粒子在加速過程中的總時(shí)間 t總＝t電＋t磁＝，通常t電?t磁(因?yàn)閐?Rmax)。 回旋加速器把帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的應(yīng)用綜合起來，也就把力學(xué)、電學(xué)融為一體。同時(shí)，帶電粒子在回旋加速器中加速，其最大速度取決于D形盒的半徑和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，與加速電壓無直接關(guān)系。 二、質(zhì)譜儀 如圖所示是質(zhì)譜儀的示意圖，它可以測(cè)定單個(gè)離子的質(zhì)量，圖中離子源S產(chǎn)生帶電荷量為q的離子，經(jīng)電壓為U的電場(chǎng)加速后垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，沿半圓軌道運(yùn)動(dòng)到記錄它的照片底片P上，測(cè)得它在P上位置與A處相距為d，求該離子的質(zhì)量m。 答案：本題考查質(zhì)譜儀的工作原理，單個(gè)離子經(jīng)電場(chǎng)加速后有qU＝mv2① 離子進(jìn)入磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)有Bqv＝② r＝③ 聯(lián)立①②③得m＝。 質(zhì)譜儀的原理如圖所示，a為粒子加速器，電壓為U1；b為速度選擇器，磁場(chǎng)與電場(chǎng)正交，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，板間距離為d；c為偏轉(zhuǎn)分離器，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2。今有一質(zhì)量為m、電荷量為＋e的正電子(不計(jì)重力)，經(jīng)加速后，該粒子恰能通過速度選擇器，粒子進(jìn)入分離器后做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。求： (1)粒子的速度v為多少？ (2)速度選擇器的電壓U2為多少？ (3)粒子在B2磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R為多大？ 答案：(1)　(2)B1d　(3) 解析：(1)在a中，e被加速電場(chǎng)U1加速，由動(dòng)能定理有 eU1＝mv2，得v＝。 (2)在b中，e受到的電場(chǎng)力和洛倫茲力大小相等，即e＝evB1，代入v值得U2＝B1d。 (3)在c中，e受洛倫茲力作用而做圓周運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)半徑R＝，代入v值得R＝。 帶電粒子要經(jīng)過電場(chǎng)加速、電磁場(chǎng)選擇速度和回轉(zhuǎn)三個(gè)過程，每個(gè)過程受力和運(yùn)動(dòng)規(guī)律均不相同。 1．在回旋加速器中(　　)。 A．電場(chǎng)用來加速帶電粒子，磁場(chǎng)則使帶電粒子旋轉(zhuǎn) B．電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)用來加速帶電粒子 C．在確定的交流電源下，回旋加速器的半徑越大，同一帶電粒子獲得的動(dòng)能越大 D．同一帶電粒子獲得的最大動(dòng)能與加的交流電源的電壓大小有關(guān) 答案：AC 2.如圖所示的正交電場(chǎng)和磁場(chǎng)中，有一粒子沿垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向飛入其中，并沿直線運(yùn)動(dòng)(不考慮重力作用)，則此粒子(　　)。 A．一定帶正電 B．一定帶負(fù)電 C．可能帶正電或負(fù)電，也可能不帶電 D．一定不帶電 答案：C 解析：帶電粒子在電場(chǎng)中受電場(chǎng)力，在磁場(chǎng)中受洛倫茲力，而帶電粒子做直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)電場(chǎng)力方向及洛倫茲力方向判定，可知兩力必反向且與運(yùn)動(dòng)速度垂直，故無法判斷是何種帶電粒子，即正電、負(fù)電、不帶電粒子都滿足題設(shè)條件，故正確選項(xiàng)為C。 3．在回旋加速器內(nèi)，帶電粒子在半圓形盒內(nèi)經(jīng)過半個(gè)圓周所需要的時(shí)間與下列量有關(guān)的是(　　)。 A．帶電粒子運(yùn)動(dòng)的速度 B．帶電粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡半徑 C．帶電粒子的質(zhì)量和電荷量 D．帶電粒子的電荷量和動(dòng)量 答案：C 解析：本題考查回旋加速器，回旋加速器半圓形盒(D形盒)內(nèi)有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過半個(gè)圓周時(shí)間t為周期T的，又因?yàn)門＝，所以t＝，故經(jīng)過半個(gè)圓周所需時(shí)間與有關(guān)，與速度無關(guān)，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤，故正確選項(xiàng)為C。 4．如圖所示是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖。帶電粒子被加速電場(chǎng)加速后，進(jìn)入速度選擇器。速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)的強(qiáng)度分別為B和E。平板S上有可讓粒子通過的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2。平板S下方有強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。下列表述正確的是(　　)。 A．質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具 B．速度選擇器中的磁場(chǎng)方向垂直紙面向外 C．能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于E/B D．粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的比荷越小 答案：ABC 解析：因同位素原子的化學(xué)性質(zhì)完全相同，所以無法用化學(xué)方法進(jìn)行分析，質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具，A正確。在速度選擇器中，帶電粒子所受電場(chǎng)力和洛倫茲力在粒子沿直線運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)等大反向，結(jié)合左手定則可知B正確。再由qE＝qvB有v＝E/B，C正確。在勻強(qiáng)磁場(chǎng)B0中R＝，所以＝，D錯(cuò)誤。 5.如圖所示，磁流體發(fā)電機(jī)的極板相距d＝0.2 m，極板間有垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，B＝1.0 T。外電路中可變負(fù)載電阻R用導(dǎo)線與極板相連。電離氣體以速率v＝1 100 m/s沿極板射入，極板間電離氣體等效內(nèi)阻r＝0.1 Ω，試求此發(fā)電機(jī)的最大輸出功率為多大？ 答案：121 kW 解析：S斷開時(shí)，由離子受力情況得qvB＝qE＝qU/d 所以板間電壓為U＝Ed＝Bvd 此發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)為E源＝U＝Bvd＝1.0×1 100×0.2 V＝220 V 當(dāng)可變電阻調(diào)到R＝r＝0.1 Ω時(shí)，電源的輸出功率最大，最大輸出功率為Pmax＝E/(4r)＝2202/(4×0.1) W＝121 kW。 6