第6章 第3节 洛伦兹力的应用—2020-2021鲁科版高中物理选修3-1课件(共62张PPT)

第3节 洛伦兹力的应用

[学习目标] 1.理解洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小，对带电粒子不做功。(物理观念)2.知道垂直射入匀强磁场的带电粒子将做匀速圆周运动。(物理观念)3.会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期公式，并会应用它们解决问题。(科学思维)4.知道质谱仪、回旋加速器的基本构造和原理，知道其在生产、生活中的应用。(科学态度与责任)

一、带电粒子在磁场中的运动

1．用洛伦兹力演示仪显示电子的运动轨迹

(1)当没有磁场作用时，电子的运动轨迹为直线。

(2)当电子垂直射入匀强磁场中时，电子的运动轨迹为一个圆，所需要的向心力是由洛伦兹力提供的。

(3)当电子斜射入匀强磁场中时，电子的运动轨迹是一条螺旋线。

2．带电粒子在洛伦兹力作用下的圆周运动

(1)运动性质：匀速圆周运动。

(2)向心力：由洛伦兹力提供。

(3)半径：r＝mvBq。

(4)周期：T＝2πmBq，由周期公式可知带电粒子的运动周期与粒子的质量成正比，与电荷量和磁感应强度成反比，而与运动半径和运动速率无关。

二、回旋加速器和质谱仪

1．回旋加速器

(1)主要构造：两个半圆形中空铜盒，两个大型电磁铁。

(2)工作原理(如图所示)

①磁场作用：带电粒子垂直磁场方向射入磁场时，只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期与半径和速率无关。

②交变电压的作用：在两D形盒狭缝间产生周期性变化的电场，使带电粒子每经过一次狭缝加速一次。

③交变电压的周期(或频率)：与带电粒子在磁场中做圆周运动的周期(或频率)相同。

2．质谱仪

(1)功能：分析各化学元素的同位素并测量其质量、含量。

(2)工作原理(如图所示)

带电粒子在电场中加速：Uq＝12mv2①

带电粒子在磁场中偏转距离为：x＝2r②

在磁场中，轨道半径为：

r＝mvqB③

由①②③得带电粒子的比荷：qm＝8UB2x2。

由此可知，带电离子的比荷与偏转距离x的平方成反比，凡是比荷不相等的离子都被分开，并按比荷顺序的大小排列，故称之为质谱。

第3节 洛伦兹力的应用

课堂互动

三点剖析

一、带电粒子做匀速圆周运动的圆心、半径及运动时间的确定

1.圆心的确定

带电粒子进入一个有界磁场后的轨道是一段圆弧，如何确定圆心是解决问题的前提，也是解题的关键.圆心一定在与速度方向垂直的直线上.

在实际问题中，圆心位置的确定极为重要，通常有两个方法：

图6-3-3

①如图6-3-3（a）所示，图中P为入射点，M为出射点，已知入射方向和出射方向时，可以通过入射点和出射点作垂直于入射方向和出射方向的直线，两条直线的交点就是圆弧轨道的圆心O.

②如图6-3-3（b）所示，图中P为入射点，M为出射点，已知入射方向和出射点的位置时，可以通过入射点作入射方向的垂线，连接入射点和出射点，作其中垂线，这两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心O.

2.半径的计算

一般利用几何知识解直角三角形.

3.运动时间的确定

如图6-3-4所示，粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，不论沿顺时针方向还是逆时针方向，从A点运动到B点，粒子速度偏向角(φ)等于圆心角(回旋角α)并等于AB弦与切线的夹角(弦切角θ)的2倍.即φ＝α＝2θ＝Ωt.

图6-3-4

利用圆心角(回旋角α)与弦切角θ的关系，或者利用四边形内角和等于360°计算出圆心角α的大小，由公式t=360aT可求出粒子在磁场中的运动时间.

4.圆周运动中有关对称规律：如从同一边界射入的粒子，从同一边界射出时，速度与边界的夹角相等；在圆形磁场区域内，沿径向射入的粒子，必沿径向射出，如图6-3-5所示.

图6-3-5

图6-3-6

【例1】 如图6-3-6所示，一电子以速度v垂直射入磁感应强度为B、宽度为d的匀强磁场中，穿越磁场时速度方向与电子原来入射方向的夹角为30°，则电子的质量是_______.

解析：首先判断电子受洛伦兹力方向是垂直于初速度方向竖直向下，故圆心应在边界上，设圆心在O点，AO应等于OC，OA与CO夹角也应为30°，

1 洛伦兹力的应用

(建议用时：45分钟)

[学业达标]

1．电子在匀强磁场中做匀速圆周运动，下列说法正确的是( )

A．速率越大，周期越大

B．速率越小，周期越大

C．速度方向与磁场方向平行

D．速度方向与磁场方向垂直

【解析】 电子在匀强磁场中做匀速圆周运动，周期T＝2πmqB，与速率无关，A、B均错．运动方向与磁场方向垂直，C错，D对．

【答案】 D

2．(多选)下列有关带电粒子运动的说法中正确的是(不计重力)( )

A．沿着电场线方向飞入匀强电场，动能一定变化

B．沿着磁感线方向飞入匀强磁场，动能一定变化

C．垂直于磁感线方向飞入匀强磁场，动能一定变化

D．垂直于磁感线方向飞入匀强磁场，动能一定不变

【解析】 带电粒子沿电场线运动，电场力做功，动能一定会变化，故A正确；带电粒子在磁场中运动，洛伦兹力不做功，动能一定不变，故B、C错，D对．

【答案】 AD

3．(多选)在回旋加速器中( )

A．高频电源产生的电场用来加速带电粒子

B．D形盒内既有匀强磁场，又有高频电源产生的电场

C．D形盒内只有匀强磁场，没有高频电源产生的电场

D．带电粒子在D形盒中运动时，磁场力使带电粒子速度增大

【解析】 磁场不能加速带电粒子，因洛伦兹力是不做功的；D形盒把高频电源产生的电场屏蔽了．

【答案】 AC

4．粒子甲的质量与电荷量分别是粒子乙的4倍与2倍，两粒子均带正电，让它们在匀强磁场中同一点以大小相等、方向相反的速度开始运动．已知磁场方向垂直纸面向里，以下四个图中，能正确表示两粒子运动轨迹的是( ) 2

【解析】 由半径公式R＝mvqB得R甲R乙＝m甲m乙·q乙q甲＝2，再由左手定则知，选项A正确，B、C、D均错．

【答案】 A

5．(多选)如图6­3­11所示，在x>0、y>0的空间中有恒定的匀强磁场，磁感应强度的方向垂直于xOy平面向里，大小为B.现有一质量为m、电荷量为q的带电粒子，在x轴上到原点的距离为x0的P点，以平行于y轴的初速度射入磁场．在磁场作用下沿垂直于y轴的方向射出磁场．不计重力的影响，由这些信息可以确定的是( )

洛伦兹力的应用

1 高二物理《洛伦兹力的应用》

网络课教学设计

一、概述

本节课为2课时，90分钟。

《洛伦兹力的应用》是鲁科版新课标教材高中物理选修3-1第六章《磁场对电流和运动电荷的作用》中的第三节的内容。是学完了磁场对运动电荷的作用(洛伦兹力)之后对带电粒子在磁场中的运动分析。

本内容的重点是掌握带电粒子在匀强磁场中的做匀速圆周运动的半径和周期公式，并能用来分析有关问题；掌握速度选择器和质谱仪的工作原理和计算方法。

本内容的难点有以下三点：

(1) 粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动

(2) 综合运用力学和电磁学知识解决带电粒子在磁场中的问题。

(3) 掌握速度选择器和质谱仪的工作原理和计算方法。

二、教学目标分析

(一) 知识与技能

1．理解带电粒子的初速度与磁感应强度方向平行时，粒子在匀强磁场中做匀速直线运动；理解带电粒子的初速度与磁感应强度方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。

2．会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式、周期公式，并会使用公式求解相关问题。

3．知道速度选择器的选择原理，知道质谱仪的工作原理。

4．能综合运用力学和电磁学知识解决带电粒子在磁场中的问题。

5．培养学生的自主探索能力、分析推理能力及交流协作能力．

(二) 过程与方法

1.能够通过网络上的两个任务探究知道粒子在磁场中的运动状态与洛伦兹力有关；

2.能够通过网络上的提示推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式、周期公式；

3.能够知道速度选择器的选择原理，知道质谱仪的工作原理；

4.体验科学理论得出的过程与方法；

5.能综合运用力学和电磁学知识解决带电粒子在磁场中的问题；

6.在分组合作探究中能够清楚地表述自己的观点，初步具有评估和听取反馈意见的意识，有初步的信息交流协作能力；

(三) 情感态度与价值观

1.让学生意识到物理规律在现实生活中的重要作用，增强对物理学习的兴趣；