2017_2018學(xué)年高中物理第5章磁場與回旋加速器學(xué)案（打包6套）滬科版.zip

2017_2018學(xué)年高中物理第5章磁場與回旋加速器學(xué)案（打包6套）滬科版.zip,2017,_2018,學(xué)年,高中物理,磁場,回旋加速器,打包,滬科版 5.6　洛倫茲力與現(xiàn)代科技 學(xué) 習 目 標 知 識 脈 絡(luò) 1.了解回旋加速器的構(gòu)造及工作原理．(重點) 2.了解質(zhì)譜儀的構(gòu)造及工作原理．(重點) 3.掌握綜合運用電場和磁場知識研究帶電粒子在兩場中的受力與運動問題．(難點) 回 旋 加 速 器 1．構(gòu)造圖及特點(如圖5-6-1所示) 圖5-6-1 回旋加速器的核心部件是兩個D形盒，它們之間接交流電源，整個裝置處在與D形盒底面垂直的勻強磁場中． 2．工作原理 (1)加速條件 交流電的周期必須跟帶電粒子做圓周運動的周期相等，即T＝. 圖5-6-2 (2)加速特點 粒子每經(jīng)過一次加速，其軌道半徑就大一些(如圖5-6-2所示)，但由T＝知，粒子做圓周運動的周期不變． 1．回旋加速器交流電的周期等于帶電粒子圓周運動周期的一半．(×) 2．回旋加速器的加速電壓越大，帶電粒子獲得的最大動能越大．(×) 3．利用回旋加速器加速帶電粒子，要提高加速粒子的最終能量，應(yīng)盡可能增大磁感應(yīng)強度B和D形盒的半徑R.(√) 回旋加速器中粒子的周期是否變化？粒子的最大速度和D形盒的半徑有什么關(guān)系？ 【提示】　根據(jù)T＝，周期保持不變． 根據(jù)r＝，v＝. 如圖5-6-3所示，為回旋加速器原理圖． 圖5-6-3 探討1：回旋加速器所加的電場和磁場各起什么作用？電場為什么是交變電場？ 【提示】　電場對電荷加速，磁場使電荷偏轉(zhuǎn)，為了使粒子每次經(jīng)過D型盒的縫隙時都被加速，需加上與它圓周運動周期相同的交變電場． 探討2：粒子每次經(jīng)過D型盒狹縫時，電場力做功的多少一樣嗎？ 【提示】　一樣． 探討3：粒子經(jīng)回旋加速器加速后，最終獲得的動能與交變電壓大小有無關(guān)系？ 【提示】　無關(guān)，僅與盒半徑有關(guān)． 1．回旋加速器的主要特征 (1)帶電粒子在兩D形盒中回旋周期等于兩盒狹縫之間高頻電場的變化周期，與帶電粒子的速度無關(guān)． (2)將帶電粒子在兩盒狹縫之間的運動首尾連起來是一個初速度為零的勻加速直線運動． (3)帶電粒子每加速一次，回旋半徑就增大一次，第一次qU＝mv，第二次2qU＝mv，第三次3qU＝mv，…，v1∶v2∶v3＝1∶∶∶….因r＝，所以各半徑之比為1∶∶…. 2．最大動能 (1)由r＝得，當帶電粒子的速度最大時，其運動半徑也最大，若D形盒半徑為R，則帶電粒子的最終動能為Em＝. (2)要提高加速粒子的最終能量，應(yīng)盡可能增大磁感應(yīng)強度B和D形盒的半徑R. 3．粒子被加速次數(shù)的計算 粒子在回旋加速器盒中被加速的次數(shù)n＝(U是加速電壓的大小)，一個周期加速兩次． 4．粒子在回旋加速器中運動的時間 在電場中運動的時間為t1，縫的寬度為d，則nd＝t1，t1＝，在磁場中運動的時間為t2＝T＝(n是粒子被加速次數(shù))，總時間為t＝t1＋t2，因為t1?t2，一般認為在盒內(nèi)的時間近似等于t2. 1．(多選)1930年勞倫斯制成了世界上第一臺回旋加速器，其原理如圖5-6-4所示．這臺加速器由兩個銅質(zhì)D形盒D1、D2構(gòu)成，其間留有空隙，下列說法正確的是(　　) 圖5-6-4 A．離子由加速器的中心附近進入加速器 B．離子由加速器的邊緣進入加速器 C．離子從磁場中獲得能量 D．離子從電場中獲得能量 【解析】　回旋加速器對離子加速時，離子是由加速器的中心附近進入加速器的，故選項A正確，選項B錯誤；離子在磁場中運動時，洛倫茲力不做功，所以離子的能量不變，故選項C錯誤；D形盒D1、D2之間存在交變電場，當離子通過交變電場時，電場力對離子做正功，離子的能量增加，所以離子的能量是從電場中獲得的，故選項D正確． 【答案】　AD 2.回旋加速器是用來加速一群帶電粒子使它們獲得很大動能的儀器，其核心部分是兩個D形金屬扁盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相接，以使在盒間的窄縫中形成勻強電場，使粒子每穿過狹縫都得到加速，兩盒放在勻強磁場中，磁感應(yīng)強度為B，磁場方向垂直于盒底面，離子源置于盒的圓心附近，若離子源射出的離子電荷量為q，質(zhì)量為m，離子最大回旋半徑為R，其運動軌跡如圖5-6-5所示．問： 【導(dǎo)學(xué)號：29682034】 圖5-6-5 (1)盒內(nèi)有無電場？ (2)離子在盒內(nèi)做何種運動？ (3)所加交流電頻率應(yīng)是多大，離子角速度為多大？ (4)離子離開加速器時速度為多大，最大動能為多少？ 【解析】　(1)扁形盒由金屬導(dǎo)體制成，扁形盒可屏蔽外電場，盒內(nèi)只有磁場而無電場． (2)離子在盒內(nèi)做勻速圓周運動，每次加速之后半徑變大． (3)離子在電場中運動時間極短，因此高頻交流電壓頻率要等于離子回旋頻率f＝， 角速度ω＝2πf＝. (4)離子最大回旋半徑為R，由牛頓第二定律得qvmB＝，其最大速度為vm＝，故最大動能Ekm＝mv＝. 【答案】　(1)見解析　(2)勻速圓周運動　(3)　　(4)　 分析回旋加速器應(yīng)注意的問題 (1)洛倫茲力永不做功，磁場的作用是讓帶電粒子“轉(zhuǎn)圈圈”，電場的作用是加速帶電粒子． (2)兩D形盒狹縫所加的是與帶電粒子做勻速圓周運動周期相同的交流電，且粒子每次過狹縫時均為加速電壓． (3)若將粒子在電場中的運動合起來看，可等效為勻加速直線運動，末速度由r＝得到，加速度由a＝得到(d為兩D形盒間距)，則t1＝＝. 質(zhì) 譜 儀 1．原理圖及特點 如圖5-6-6所示，S1與S2之間為加速電場；S2與S3之間的裝置叫速度選擇器，它要求E與B1垂直且E方向向右時，B1垂直紙面向外(若E反向，B1也必須反向)；S3下方為偏轉(zhuǎn)磁場． 圖5-6-6 2．工作原理 (1)加速 帶電粒子進入加速電場后被加速，由動能定理有qU＝mv2. (2)速度選擇 通過調(diào)節(jié)E和B1的大小，使速度v＝的粒子進入B2區(qū)． (3)偏轉(zhuǎn) R＝?＝＝. 3．應(yīng)用 常用來測定帶電粒子的比荷(也叫荷質(zhì)比)和分析同位素等． 1．比荷不同的帶電粒子通過速度選擇器的速度不同．(×) 2．電量相同而質(zhì)量不同的帶電粒子，以相同的速度進入勻強磁場后，將沿著相同的半徑做圓周運動．(×) 3．利用質(zhì)譜儀可以檢測化學(xué)物質(zhì)或核物質(zhì)中的同位素和不同成分．(√) 什么樣的粒子打在質(zhì)譜儀顯示屏上的位置會不同？位置的分布有什么規(guī)律？ 【提示】　速度相同，比荷不同的粒子打在質(zhì)譜儀顯示屏上的位置不同． 根據(jù)qvB＝，r＝.可見粒子比荷越大，偏轉(zhuǎn)半徑越?。? 探討1：質(zhì)譜儀為什么能將不同種類的帶電粒子分辨出來？ 【提示】　將質(zhì)量不同、電荷不同的帶電粒子經(jīng)電場加速后進入偏轉(zhuǎn)磁場．各粒子由于軌道半徑不同而分離，其軌道半徑r＝＝＝＝. 探討2：帶電粒子在質(zhì)譜儀中的運動可分為幾個階段？遵循什么運動規(guī)律？ 【提示】　帶電粒子的運動分為三個階段： 第一階段在加速電場中加速，遵循動能定理． 第二階段在速度選擇器中通過，遵循勻速直線運動規(guī)律． 第三階段在磁場中偏轉(zhuǎn)，遵循勻速圓周運動的規(guī)律． 1．帶電粒子在質(zhì)譜儀中的運動如圖5-6-7，可分為三個階段：先加速，再通過速度選擇器，最后在磁場中偏轉(zhuǎn)． 圖5-6-7 2．加速：帶電粒子經(jīng)加速電場加速，獲得動能mv2＝qU，故v＝ . 3．速度選擇器：電場力和洛倫茲力平衡，粒子做勻速直線運動．qE＝qvB，故v＝. 4．偏轉(zhuǎn)：帶電粒子垂直進入勻強磁場，其軌道半徑r＝＝ ，可得粒子質(zhì)量m＝.不同質(zhì)量的粒子其半徑不同，即磁場可以將同電量而不同質(zhì)量的同位素分開． 3．質(zhì)譜儀是一種測定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具，它的構(gòu)造原理如圖5-6-8所示，離子源S產(chǎn)生的各種不同的正離子束(速度可看為零)，經(jīng)加速電場加速后垂直進入有界勻強磁場，到達記錄它的照相底片P上，設(shè)離子在P上的位置到入口處S1的距離為x，下列判斷不正確的是(　　) 圖5-6-8 A．若離子束是同位素，則x越大，離子質(zhì)量越大 B．若離子束是同位素，則x越大，離子質(zhì)量越小 C．只要x相同，則離子質(zhì)量與電量的比值一定相同 D．只要x相同，則離子的比荷一定相同 【解析】　由動能定理qU＝mv2.離子進入磁場后將在洛倫茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由圓周運動的知識，有：x＝2r＝，故x＝，分析四個選項知，A、C、D正確，B錯誤． 【答案】　B 4．質(zhì)譜儀原理如圖5-6-9所示，a為粒子加速器，電壓為U1；b為速度選擇器，磁場與電場正交，磁感應(yīng)強度為B1，板間距離為d；c為偏轉(zhuǎn)分離器，磁感應(yīng)強度為B2.今有一質(zhì)量為m、電荷量為e的正粒子(不計重力)，經(jīng)加速后，該粒子恰能通過速度選擇器，粒子進入分離器后做勻速圓周運動．求： 圖5-6-9 (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磁場中做勻速圓周運動的半徑R為多大？ 【解析】　(1)在a中，e被加速電場U1加速，由動能定理有eU1＝mv2得v＝ . (2)在b中，e受的電場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動，回轉(zhuǎn)半徑R＝，代入v值解得R＝ . 【答案】　(1) 　(2)B1d (3) 質(zhì)譜儀問題的分析技巧 (1)分清粒子運動過程的三個階段． (2)在加速階段應(yīng)用動能定理． (3)在速度選擇器中應(yīng)用平衡條件． (4)在偏轉(zhuǎn)階段應(yīng)用洛倫茲力提供向心力的規(guī)律． 帶 電 粒 子 在 復(fù) 合 場 中 的 運 動 1．復(fù)合場與組合場 (1)復(fù)合場：電場、磁場、重力場共存，或其中某兩場共存． (2)組合場：電場與磁場各位于一定的區(qū)域內(nèi)，并不重疊，或在同一區(qū)域，電場、磁場分時間段或分區(qū)域交替出現(xiàn)． 2．運動情況分類 (1)靜止或勻速直線運動 當帶電粒子在復(fù)合場中所受合外力為零時，將處于靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)． (2)勻速圓周運動 當帶電粒子所受的重力與電場力大小相等、方向相反時，帶電粒子在洛倫茲力的作用下，在垂直于勻強磁場的平面內(nèi)做勻速圓周運動． (3)較復(fù)雜的曲線運動 當帶電粒子所受合外力的大小和方向均變化，且與初速度方向不在同一條直線上時，粒子做非勻變速曲線運動，這時粒子的運動軌跡既不是圓弧，也不是拋物線． (4)分階段運動 帶電粒子可能依次通過幾個情況不同的復(fù)合場區(qū)域，其運動情況隨區(qū)域發(fā)生變化，其運動過程由幾種不同的運動階段組成． 5．如圖5-6-10所示，在xOy平面內(nèi)，勻強電場的方向沿x軸正向，勻強磁場的方向垂直于xOy平面向里．一電子在xOy平面內(nèi)運動時，速度方向保持不變．則電子的運動方向沿(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：29682035】 圖5-6-10 A．x軸正向　 B．x軸負向 C．y軸正向 D．y軸負向 【解析】　電子受電場力方向一定水平向左，所以需要受向右的洛倫茲力才能做勻速運動，根據(jù)左手定則進行判斷可得電子應(yīng)沿y軸正向運動． 【答案】　C 6．質(zhì)量為m，帶電荷量為q的微粒，以速度v與水平方向成45°角進入勻強電場和勻強磁場同時存在的空間，如圖5-6-11所示，微粒在電場、磁場、重力場的共同作用下做勻速直線運動，求： 圖5-6-11 (1)電場強度的大小，該帶電粒子帶何種電荷； (2)磁感應(yīng)強度的大?。? 【解析】　(1)微粒做勻速直線運動，所受合力必為零，微粒受重力mg，電場力qE，洛倫茲力qvB，由此可知，微粒帶正電，受力如圖所示，qE＝mg，則電場強度E＝. (2)由于合力為零，則qvB＝mg， 所以B＝. 【答案】　(1)　正電荷　(2) 9