2019-2020学年高中物理 第3章 打开电磁学的大门 第3节 洛伦兹力的应用课件 鲁科版选修1-

第3章打开电磁学的大门第3节洛伦兹力的应用1.初步了解显像管的主要构造和真空显像管的工作原理，并对最新的显像技术有所了解．2．了解带电粒子的磁偏转在磁流体发电机中的作用，并对其他发电形式中的能量转化有所了解．3．知道回旋加速器的工作原理，并了解加速器的基本用途．(重点＋难点)第3章打开电磁学的大门一、磁偏转与显像管显像管主要由_________和_________两部分构成，黑白显像管只有一支电子枪，而彩色显像管中有三支电子枪．电子枪是用来发射电子束的，荧光屏在电子束的冲击下会发光．显像管包括水平和竖直两个磁偏转线圈，磁偏转线圈通入电流时会产生磁场，当电子束通过时将受到_________作用，实现水平偏转和竖直偏转．甲电子枪荧光屏洛伦兹力二、磁偏转与磁流体发电机磁流体发电机由等离子源、磁极和两个极板三部分构成，当离子源中产生的高温等离子导电气体穿过强磁场的发电通道时，受到_________作用，正、负离子分别向两个极板偏转，两个极板接收到带电离子后形成电势差，当两个极板与外电路相连形成闭合电路时，电路中就产生了电流．乙洛伦兹力1．图乙中的磁流体发电机的A、B两极板，哪一个是发电机的正极？提示：根据左手定则可知，B板带正电．三、磁偏转与回旋加速器1．回旋加速器构造：如图所示，D1，D2是半圆金属扁盒，丙D形盒的缝隙处接_________电源．D形盒处于匀强磁场中．交流2．回旋加速器原理：交流电周期和粒子做圆周运动的周期_________，粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙，两盒间的电势差一次一次地反向，粒子就会被一次一次地加速．3．美国物理学家_________制造了第一台回旋加速器，获得了1939年的诺贝尔物理学奖．相同劳伦斯2．回旋加速器所加速的粒子的最大速度由电场决定吗？提示：不是，粒子是在洛伦兹力作用下做圆周运动，半径越大，说明速度越大，因此最大速度由D形盒半径决定．磁流体发电机的工作原理如图所示，A、B为两个极板，极板间有匀强磁场，磁场方向向外，与课本图对应，等离子束穿过磁场，根据左手定则可以判断，正电荷偏向B极板，负电荷偏向A极板．正、负离子被极板吸收后，接收正离子的极板B带正电，接收负离子的极板A带负电，两极板间产生了电场，电场的出现阻碍了离子的进一步偏转，此后的离子受到两个力的作用：电场力和洛伦兹力，当这两个力平衡时，离子不再偏转，极板间的电压达到稳定．若磁感应强度为B，板间距为d，离子的电荷量为q，速度为v，根据平衡条件有：qvB＝qUd，板间电压为：U＝Bvd.A、B两极板相当于电源内部，电流在两板间是从负极流向正极的．如图所示为磁流体发电机的示意图，将气体加热到很高的温度，使它成为等离子体(含有大量正、负离子)，让它们以速度v通过磁感应强度为B的匀强磁场区，这里有间距为d的电极a和b.(1)哪个电极为正极？(2)计算电极间的电势差．(3)计算发电通道两端的压强差．[思路点拨]本题以磁流体发电机为载体，考查的知识却是物体的受力平衡，能量守恒等知识．[解析](1)b板为电源正极．(2)根据平衡时电场力等于洛伦兹力，即qE＝qvB，E＝Ud因此得U＝Bvd(即电动势)．(3)设负载电阻为R，电源内阻不计，通道横截面为边长等于d的正方形，入口处压强为p1，出口处压强为p2，当开关闭合后，发电机的电功率为P电＝U2R＝（Bvd）2R根据能的转化与守恒定律有：P电＝F1v－F2v，而F1＝p1S，F2＝p2S所以通道两端压强差为Δp＝p1－p2＝B2vR.[答案]见解析这是一道联系实际的问题，要明确发电机的工作原理，综合运用所学的知识，利用共点力的平衡进行求解．解决此类复合场问题时，正确地对物体进行受力分析是关键．1．如图所示是等离子体发电机的示意图，磁感应强度为B，两板间距离为d，要使输出电压为U，则等离子的速度v为______，a是电源的________极．解析：带电粒子在磁场中发生偏转，正离子偏向上极板，负离子偏向下极板，使上下极板间出现电势差，形成了电场．这时板间的带电粒子除受洛伦兹力外，还受电场力．当两力大小相等时，粒子不再偏转，极板间形成稳定的电势差．由qvB＝Uqd，得v＝UBd.答案：UBd正回旋加速器的几个问题1．电、磁场的作用(1)磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，并在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期和速率、半径均无关，带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间(半个周期)后平行电场方向进入电场中加速．(2)电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速．2．交变电压的周期为了保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，须在窄缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压．3．加速粒子的最大半径加速后的粒子运动的最大半径取决于D形盒的半径回旋加速器利用了带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的规律，用磁场偏转、电场加速，实现对带电粒子多次加速的原理制成的，最后粒子运动的最大半径就是D形盒的半径，根据公式R＝mvqB可知，与加速电压无关．回旋加速器是用来加速一群带电粒子使它们获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属扁盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接，以使在盒间的狭缝中形成匀强电场，使粒子每穿过狭缝都得到加速，两盒放在匀强磁场中，磁感应强度为B，磁场方向垂直于盒底面．粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子电量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为R，其运动轨迹如图所示，问(1)盒内有无电场？粒子在盒内做何种运动？(2)粒子在两盒间狭缝内做何种运动？(3)所加交变电压频率应为多大？粒子运动角速度为多大？(4)粒子离开加速器时速度多大，最大动能为多少？[解析](1)D形盒由金属导体制成，D形盒可屏蔽外电场，盒内只有磁场而无电场，粒子在盒内做匀速圆周运动，每次加速之后半径变大．(2)粒子在两盒狭缝内做匀加速直线运动．(3)粒子在电场中运动时间极短，因此高频交变电压频率要等于粒子回旋频率，回旋频率f＝1T＝qB2πm.角速度ω＝2πf＝qBm.(4)粒子最大回旋半径为R，R＝mvmqBvm＝qBRm，Ekm＝q2B2R22m.[答案](1)无电场匀速圆周运动(2)匀加速直线运动(3)qB2πmqBm(4)qBRmq2B2R22m在回旋加速器中粒子在电场中的运动是间断的，但由于粒子在间断期间处在磁场中做匀速圆周运动(速率不变)，所以处理时可以将粒子在电场中的间断运动连接起来，将其等效处理为初速度为零的匀加速运动，此种解法值得总结引用．2．1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是()①离子由加速器的中心附近进入加速器②离子由加速器的边缘进入加速器③离子从磁场中获得能量④离子从电场中获得能量A．①③B.①④C．②③D.②④解析：选B.离子由加速器的中心附近进入加速器，从电场中获取能量，最后从加速器边缘离开加速器，故①、④说法正确，选项应选B.