高中物理 第3章 打開電磁學的大門 第3節(jié) 洛倫茲力的應用教師用書 魯科版選修1-1
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第3節(jié) 洛倫茲力的應用 課 標 解 讀 重 點 難 點 1.初步了解顯像管的主要構造和真空顯像管的工作原理． 2.了解帶電粒子的磁偏轉在磁流體發(fā)電機中的作用． 3.知道回旋加速器的工作原理，并了解加速器的基本用途. 1.顯像管、回旋加速器的原理．(重點) 2.磁流體發(fā)電機和回旋加速器的原理．(難點) 磁偏轉與顯像管 1.基本知識 (1)顯像管的構造：主要由電子槍和熒光屏兩部分構成．電子槍用來發(fā)射電子束，熒光屏在電子束的沖擊下發(fā)光． (2)顯像管的原理 ①為了再現(xiàn)拍攝時的原圖像，必須使電子束的掃描反映出原圖像的信息． ②磁偏轉線圈：偏轉線圈通入電流時會產(chǎn)生磁場，當電子束通過時，將受到洛倫茲力作用，實現(xiàn)水平偏轉和豎直偏轉． ③電子束的偏轉方向是用包含圖像信息的交變電流控制磁偏轉線圈實現(xiàn)的，電子束打在屏幕上的位置反映的就是圖像的信息，屏幕上展現(xiàn)的也就是拍攝的圖像． 2．思考判斷 (1)黑白電視機的顯像管中只有一支電子槍．(√) (2)其他電器設備在工作時，不會對電視機產(chǎn)生影響．() 磁偏轉與磁流體發(fā)電機 1.基本知識 (1)磁流體發(fā)電機的構造：由等離子源、磁極和兩個極板三部分構成． (2)磁流體發(fā)電機的原理：等離子源中產(chǎn)生的高溫等離子導電氣體穿過磁場的發(fā)電通道時，受洛倫茲力作用，正、負離子分別向兩個極板偏轉，兩個極板接收到帶電離子后形成電勢差，當兩個極板與外電路形成閉合電路時，電路中就產(chǎn)生了電流． 2．思考判斷 (1)磁流體發(fā)電機與火力發(fā)電機相比，大大提高了能量的轉化效率．(√) (2)目前我國已大量利用磁流體發(fā)電．() 磁偏轉與回旋加速器 1．基本知識 (1)回旋加速器的構造：如圖331所示，D1，D2是半圓金屬扁盒，D形盒的縫隙處接高頻交流電源．D形盒處于勻強磁場中． 圖331 (2)回旋加速器的原理：交流電周期和粒子做圓周運動的周期相同，粒子在圓周運動的過程中一次一次地經(jīng)過D形盒縫隙，兩盒間的電勢差一次一次地反向，粒子就會被一次一次地加速． 2．探究交流 回旋加速器兩端所加的交流電壓的周期由什么決定？ 【提示】 為了保證每次帶電粒子經(jīng)過時均被加速，使之能量不斷提高，交流電壓的周期必須等于帶電粒子在回旋加速器中做勻速圓周運動的周期即T＝.因此，交流電壓的周期由帶電粒子的質(zhì)量m、帶電量q和加速器中的磁場的磁感應強度B來決定. 磁流體發(fā)電機的工作原理 【問題導思】 1．帶電粒子在兩極板間運動時受什么力作用？ 【提示】 受電場力和洛侖茲力． 2．兩極間電壓只與離子射入速度有關嗎？ 【提示】 不對． 1．裝置 如圖332所示，A、B為兩個極板，極板間有勻強磁場，磁場方向向外，等離子束穿過磁場，根據(jù)左手定則可以判斷，正電荷偏向B極，負電荷偏向A極． 圖332 2．原理 正、負離子被極板吸收后，接收正離子的極板B帶正電，接收負離子的極板A帶負電，兩極板間產(chǎn)生了電場，電場的出現(xiàn)阻礙了離子的進一步偏轉，此后的離子受到兩個力的作用：電場力和洛倫茲力，當這兩個力平衡時，離子不再偏轉，極板間的電壓達到穩(wěn)定． 3．電壓 設帶電粒子的運動速度為v，帶電荷量為q，磁場的磁感應強度為B，極板間距離為d，極板間電壓為U，據(jù)FB＝Fe，有qvB＝qE＝，得U＝Bdv. 如圖333是汽車尾氣磁流體發(fā)電的原理示意圖，金屬板M、N正對著平行放置，且板面垂直于紙面，在兩板之間接有電阻R.極板間的磁場方向垂直紙面向里，等離子束(分別帶有等量正、負電荷的離子束)從左向右進入板間，下列表述正確的是( ) 圖333 A．M板的電勢低于N極，通過電阻R的電流向上 B．M板的電勢低于N板，通過電阻R的電流向下 C．M板的電勢高于N板，通過電阻R的電流向上 D．M板的電勢高于N板，通過電阻R的電流向下 【審題指導】 (1)根據(jù)左手定則確定正、負離子偏轉的方向，從而確定金屬板電勢的高低． (2)根據(jù)金屬板電勢的高低判斷流過電阻R的電流方向． 【解析】 等離子體進入磁場，根據(jù)左手定則，正電荷向上偏轉，打在上極板上，負電荷向下偏轉，打在下極板上，所以上極板帶正電，下極板帶負電，則M板的電勢高于N板的電勢，流過電阻的電流方向向下，選項D正確． 【答案】 D 這是一道聯(lián)系實際的問題，要明確發(fā)電機的工作原理，綜合運動學的知識，利用共點力的平衡進行求解．解決此類復合場問題時，正確地對物體進行受力分析是關鍵． 1.目前世界上正研究的一種新型發(fā)電機叫磁流體發(fā)電機，如圖334所示它的發(fā)電原理：將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和帶負電的微粒，而從整體來說呈中性)沿圖中所示方向噴射入磁場，磁場中有兩塊金屬板A、B，這時金屬板上就聚集了電荷．在磁極配置如圖中所示的情況下，下述說法正確的是( ) 圖334 A．A板帶正電 B．有電流從b經(jīng)用電器流向a C．金屬板A、B間的電場方向向下 D．等離子體發(fā)生偏轉的原因是離子所受洛倫茲力大于所受電場力 【解析】 由左手定則判定B板帶正電，故A錯誤，B正確，C錯誤．離子偏轉的原因是離子受洛倫茲力大于所受電場力，故D正確． 【答案】 BD 回旋加速器 【問題導思】 1．使帶電粒子獲得能量的是磁場還是電場？ 【提示】 電場． 2．帶電粒子獲得的能量大小和加速電壓大小有關嗎？ 【提示】 無關． 1．回旋加速器：美國科學家勞倫斯于1932年制成了第一臺回旋加速器，其結構如圖335所示，核心部件為兩個D形盒(加勻強磁場)，其間的狹縫加加速電場． 圖335 2．磁場的作用：帶電粒子以某一速度從D形盒中心附近垂直磁場方向進入勻強磁場后，在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運動，帶電粒子每次進入D形盒都運動相等的時間(半個周期)后平行電場方向進入狹縫的電場．帶電粒子被加速后在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑增大，但周期卻不變．(如圖336所示) 圖336 3．電場的作用：回旋加速器的兩個D形盒之間的狹縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩個D形盒正對截面的勻強電場，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時被加速． 4．加速電壓的作用：為保證粒子每次經(jīng)過狹縫時都被加速，使之能量不斷提高，需在狹縫兩側加上跟帶電粒子在D形盒中運動周期相同的加速電壓． 如圖337所示，回旋加速器由兩個D形盒組成，在D形盒的縫隙處加加速電壓，整個裝置處在勻強磁場中．從O點射入的帶電粒子經(jīng)過電場加速和磁偏轉，反復運動，最終可以從邊緣由導出裝置導出．已知加速電壓的頻率等于粒子在磁場中回旋的頻率．試討論：粒子射出時速度vm的大小由哪些因素決定？ 圖337 【解析】 只要粒子從D形盒邊緣被導出，那么，它最后半周應滿足qvmB＝，即vm＝， 可見粒子射出時的最大速度vm與磁場的磁感應強度B以及D形盒的半徑R有關，而與加速電壓U的大小無關(U≠0)． 【答案】 見解析 回旋加速器相關問題主要抓住兩點：一是旋轉頻率等于加速電壓的頻率，二是射出速度vm，由R＝得vm＝(R為D形盒半徑)． 2．關于回旋加速器加速帶電粒子所獲得的能量，下列提供的選項正確的是( ) 【導學號：31870026】 A．與加速器的半徑有關，半徑越大，能量越大 B．與加速器的磁場有關，磁場越強，能量越大 C．與加速器的電場有關，電場越強，能量越大 D．與帶電粒子的質(zhì)量與電荷量均有關，質(zhì)量和電荷量越大，能量越大 【解析】 帶電粒子在回旋加速器中最終獲得的動能為Ek，由r＝推得r＝，所以Ek＝，所以該能量與半徑有關，半徑越大，能量越大，所以選項A正確．同理與磁場也有關，選項B正確．雖然與質(zhì)量和電荷量有關，但是質(zhì)量和電荷量越大，能量卻不一定越大，所以選項D錯誤．因為該能量與電場無關，所以選項C錯誤．綜上所述，本題的正確選項為A、B. 【答案】 AB 【備課資源】(教師用書獨具) 加速器的創(chuàng)新歷程 普通回旋加速器是勞倫斯發(fā)明的．在這種加速器中，磁場是均勻的，加速電場的頻率是不變的．所以相對的頻率是不變的，由于相對論效應，因而粒子得不到持續(xù)的加速．這種加速只能將質(zhì)子的能量加速到25 MeV左右． 為了得到更高能量的粒子，60多年來，科學家們堅持不懈地進行研究，不斷地對回旋加速器做出改進，加速器發(fā)展到今天，經(jīng)歷了三次革命．加速器發(fā)展的主要動力是粒子物理學實驗的需要，粒子物理學推動了加速器理論和技術的進步. 1945年，科學家對高頻加速電場的頻率進行調(diào)變，研制成同步回旋加速器．這種回旋加速器能將質(zhì)子的能量加速到1 GeV. 20世紀50年代，科學家研制出磁場呈某種分布的回旋加速器，它能使不同質(zhì)量的粒子在不同半徑的軌道上回旋頻率保持不變，這種加速器可以將質(zhì)子的能量加速到10 GeV的數(shù)量級． 20世紀60年代，科學家運用對撞可使加速粒子能量得到充分利用的原理建成了一個直徑大約為1 m的對撞機，從此開創(chuàng)了加速器發(fā)展的新紀元． 我國1989年研制成的北京正負電子對撞機，能使電子能量達到22.8 GeV，現(xiàn)代的高能加速器基本上都是對撞機，它們把產(chǎn)生高能反應的等效能量提高到10 TeV～1 000 TeV. 從20世紀30年代至今，加速器的能量提高了9個數(shù)量級，每單位能量的造價降低了約4個數(shù)量級，全世界有多位科學家因此獲得了諾貝爾物理學獎． 目前世界上最大的加速器是美國費密國家加速器實驗室的一臺質(zhì)子同步加速器，它可以把質(zhì)子加速到1 000 GeV. 1．帶電粒子在磁場中發(fā)生偏轉的物理原理可運用于各種科學實驗和電器中，下面利用了此物理原理的裝置有( ) 【解析】 磁流體發(fā)電機是利用帶電粒子在磁場中受洛倫茲力向A、B兩極偏轉，從而保證A、B兩極間有足夠的正負電荷形成電源兩極；電子顯像管是利用磁場中電子受洛倫茲力偏轉打到熒光屏上顯像；回旋加速器是利用帶電粒子在磁場中偏轉半周達到回旋再加速的目的；洗衣機是磁場對電流產(chǎn)生安培力，從而使洗衣機轉動，故選A、B、C. 【答案】 ABC 圖338 2．如圖338所示，平行金屬板上板帶負電，下板帶等量正電，兩板間還有垂直紙面向外的勻強磁場．一帶電粒子(不計重力)以速度v0垂直于電場線和磁感線射入，恰能沿直線穿過此區(qū)域．若使磁場增強，其他條件不變，粒子仍以v0垂直射入，則粒子落到極板上．設落到極板上時速度為v，則( ) A．v＝v0 B．v>v0 C．v
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