高中物理 第3章 打開電磁學(xué)的大門 第3節(jié) 洛倫茲力的應(yīng)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(yīng)用 課 標(biāo) 解 讀 重 點(diǎn) 難 點(diǎn) 1.初步了解顯像管的主要構(gòu)造和真空顯像管的工作原理． 2.了解帶電粒子的磁偏轉(zhuǎn)在磁流體發(fā)電機(jī)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(diǎn)) 2.磁流體發(fā)電機(jī)和回旋加速器的原理．(難點(diǎn)) 磁偏轉(zhuǎn)與顯像管 1.基本知識(shí) (1)顯像管的構(gòu)造：主要由電子槍和熒光屏兩部分構(gòu)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(shí)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(zhuǎn)線圈：偏轉(zhuǎn)線圈通入電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)電子束通過時(shí)，將受到洛倫茲力作用，實(shí)現(xiàn)水平偏轉(zhuǎn)和豎直偏轉(zhuǎn)． ③電子束的偏轉(zhuǎn)方向是用包含圖像信息的交變電流控制磁偏轉(zhuǎn)線圈實(shí)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(jī)的顯像管中只有一支電子槍．(√) (2)其他電器設(shè)備在工作時(shí)，不會(huì)對(duì)電視機(jī)產(chǎn)生影響．() 磁偏轉(zhuǎn)與磁流體發(fā)電機(jī) 1.基本知識(shí) (1)磁流體發(fā)電機(jī)的構(gòu)造：由等離子源、磁極和兩個(gè)極板三部分構(gòu)成． (2)磁流體發(fā)電機(jī)的原理：等離子源中產(chǎn)生的高溫等離子導(dǎo)電氣體穿過磁場(chǎng)的發(fā)電通道時(shí)，受洛倫茲力作用，正、負(fù)離子分別向兩個(gè)極板偏轉(zhuǎn)，兩個(gè)極板接收到帶電離子后形成電勢(shì)差，當(dāng)兩個(gè)極板與外電路形成閉合電路時(shí)，電路中就產(chǎn)生了電流． 2．思考判斷 (1)磁流體發(fā)電機(jī)與火力發(fā)電機(jī)相比，大大提高了能量的轉(zhuǎn)化效率．(√) (2)目前我國(guó)已大量利用磁流體發(fā)電．() 磁偏轉(zhuǎn)與回旋加速器 1．基本知識(shí) (1)回旋加速器的構(gòu)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(qiáng)磁場(chǎng)中． 圖331 (2)回旋加速器的原理：交流電周期和粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期相同，粒子在圓周運(yùn)動(dòng)的過程中一次一次地經(jīng)過D形盒縫隙，兩盒間的電勢(shì)差一次一次地反向，粒子就會(huì)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(shí)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(yùn)動(dòng)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(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B來決定. 磁流體發(fā)電機(jī)的工作原理 【問題導(dǎo)思】 1．帶電粒子在兩極板間運(yùn)動(dòng)時(shí)受什么力作用？ 【提示】 受電場(chǎng)力和洛侖茲力． 2．兩極間電壓只與離子射入速度有關(guān)嗎？ 【提示】 不對(duì)． 1．裝置 如圖332所示，A、B為兩個(gè)極板，極板間有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向向外，等離子束穿過磁場(chǎng)，根據(jù)左手定則可以判斷，正電荷偏向B極，負(fù)電荷偏向A極． 圖332 2．原理 正、負(fù)離子被極板吸收后，接收正離子的極板B帶正電，接收負(fù)離子的極板A帶負(fù)電，兩極板間產(chǎn)生了電場(chǎng)，電場(chǎng)的出現(xiàn)阻礙了離子的進(jìn)一步偏轉(zhuǎn)，此后的離子受到兩個(gè)力的作用：電場(chǎng)力和洛倫茲力，當(dāng)這兩個(gè)力平衡時(shí)，離子不再偏轉(zhuǎn)，極板間的電壓達(dá)到穩(wěn)定． 3．電壓 設(shè)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度為v，帶電荷量為q，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(duì)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(chǎng)方向垂直紙面向里，等離子束(分別帶有等量正、負(fù)電荷的離子束)從左向右進(jìn)入板間，下列表述正確的是( ) 圖333 A．M板的電勢(shì)低于N極，通過電阻R的電流向上 B．M板的電勢(shì)低于N板，通過電阻R的電流向下 C．M板的電勢(shì)高于N板，通過電阻R的電流向上 D．M板的電勢(shì)高于N板，通過電阻R的電流向下 【審題指導(dǎo)】 (1)根據(jù)左手定則確定正、負(fù)離子偏轉(zhuǎn)的方向，從而確定金屬板電勢(shì)的高低． (2)根據(jù)金屬板電勢(shì)的高低判斷流過電阻R的電流方向． 【解析】 等離子體進(jìn)入磁場(chǎng)，根據(jù)左手定則，正電荷向上偏轉(zhuǎn)，打在上極板上，負(fù)電荷向下偏轉(zhuǎn)，打在下極板上，所以上極板帶正電，下極板帶負(fù)電，則M板的電勢(shì)高于N板的電勢(shì)，流過電阻的電流方向向下，選項(xiàng)D正確． 【答案】 D 這是一道聯(lián)系實(shí)際的問題，要明確發(fā)電機(jī)的工作原理，綜合運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)，利用共點(diǎn)力的平衡進(jìn)行求解．解決此類復(fù)合場(chǎng)問題時(shí)，正確地對(duì)物體進(jìn)行受力分析是關(guān)鍵． 1.目前世界上正研究的一種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)電機(jī)，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(fù)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(chǎng)，磁場(chǎng)中有兩塊金屬板A、B，這時(shí)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(chǎng)方向向下 D．等離子體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原因是離子所受洛倫茲力大于所受電場(chǎng)力 【解析】 由左手定則判定B板帶正電，故A錯(cuò)誤，B正確，C錯(cuò)誤．離子偏轉(zhuǎn)的原因是離子受洛倫茲力大于所受電場(chǎng)力，故D正確． 【答案】 BD 回旋加速器 【問題導(dǎo)思】 1．使帶電粒子獲得能量的是磁場(chǎng)還是電場(chǎng)？ 【提示】 電場(chǎng)． 2．帶電粒子獲得的能量大小和加速電壓大小有關(guān)嗎？ 【提示】 無關(guān)． 1．回旋加速器：美國(guó)科學(xué)家勞倫斯于1932年制成了第一臺(tái)回旋加速器，其結(jié)構(gòu)如圖335所示，核心部件為兩個(gè)D形盒(加勻強(qiáng)磁場(chǎng))，其間的狹縫加加速電場(chǎng)． 圖335 2．磁場(chǎng)的作用：帶電粒子以某一速度從D形盒中心附近垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后，在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，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)入狹縫的電場(chǎng)．帶電粒子被加速后在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑增大，但周期卻不變．(如圖336所示) 圖336 3．電場(chǎng)的作用：回旋加速器的兩個(gè)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(gè)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． 4．加速電壓的作用：為保證粒子每次經(jīng)過狹縫時(shí)都被加速，使之能量不斷提高，需在狹縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的加速電壓． 如圖337所示，回旋加速器由兩個(gè)D形盒組成，在D形盒的縫隙處加加速電壓，整個(gè)裝置處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中．從O點(diǎn)射入的帶電粒子經(jīng)過電場(chǎng)加速和磁偏轉(zhuǎn)，反復(fù)運(yùn)動(dòng)，最終可以從邊緣由導(dǎo)出裝置導(dǎo)出．已知加速電壓的頻率等于粒子在磁場(chǎng)中回旋的頻率．試討論：粒子射出時(shí)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(dǎo)出，那么，它最后半周應(yīng)滿足qvmB＝，即vm＝， 可見粒子射出時(shí)的最大速度vm與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B以及D形盒的半徑R有關(guān)，而與加速電壓U的大小無關(guān)(U≠0)． 【答案】 見解析 回旋加速器相關(guān)問題主要抓住兩點(diǎn)：一是旋轉(zhuǎn)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(guān)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(xiàng)正確的是( ) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：31870026】 A．與加速器的半徑有關(guān)，半徑越大，能量越大 B．與加速器的磁場(chǎng)有關(guān)，磁場(chǎng)越強(qiáng)，能量越大 C．與加速器的電場(chǎng)有關(guān)，電場(chǎng)越強(qiáng)，能量越大 D．與帶電粒子的質(zhì)量與電荷量均有關(guān)，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(dòng)能為Ek，由r＝推得r＝，所以Ek＝，所以該能量與半徑有關(guān)，半徑越大，能量越大，所以選項(xiàng)A正確．同理與磁場(chǎng)也有關(guān)，選項(xiàng)B正確．雖然與質(zhì)量和電荷量有關(guān)，但是質(zhì)量和電荷量越大，能量卻不一定越大，所以選項(xiàng)D錯(cuò)誤．因?yàn)樵撃芰颗c電場(chǎng)無關(guān)，所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤．綜上所述，本題的正確選項(xiàng)為A、B. 【答案】 AB 【備課資源】(教師用書獨(dú)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(chǎng)是均勻的，加速電場(chǎng)的頻率是不變的．所以相對(duì)的頻率是不變的，由于相對(duì)論效應(yīng)，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(xué)家們堅(jiān)持不懈地進(jìn)行研究，不斷地對(duì)回旋加速器做出改進(jìn)，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?jiǎng)恿κ橇Ｗ游锢韺W(xué)實(shí)驗(yàn)的需要，粒子物理學(xué)推動(dòng)了加速器理論和技術(shù)的進(jìn)步. 1945年，科學(xué)家對(duì)高頻加速電場(chǎng)的頻率進(jìn)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(jì)50年代，科學(xué)家研制出磁場(chǎng)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(jí)． 20世紀(jì)60年代，科學(xué)家運(yùn)用對(duì)撞可使加速粒子能量得到充分利用的原理建成了一個(gè)直徑大約為1 m的對(duì)撞機(jī)，從此開創(chuàng)了加速器發(fā)展的新紀(jì)元． 我國(guó)1989年研制成的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，能使電子能量達(dá)到22.8 GeV，現(xiàn)代的高能加速器基本上都是對(duì)撞機(jī)，它們把產(chǎn)生高能反應(yīng)的等效能量提高到10 TeV～1 000 TeV. 從20世紀(jì)30年代至今，加速器的能量提高了9個(gè)數(shù)量級(jí)，每單位能量的造價(jià)降低了約4個(gè)數(shù)量級(jí)，全世界有多位科學(xué)家因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)． 目前世界上最大的加速器是美國(guó)費(fèi)密國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的一臺(tái)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(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)的物理原理可運(yùn)用于各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jī)是利用帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力向A、B兩極偏轉(zhuǎn)，從而保證A、B兩極間有足夠的正負(fù)電荷形成電源兩極；電子顯像管是利用磁場(chǎng)中電子受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)打到熒光屏上顯像；回旋加速器是利用帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)半周達(dá)到回旋再加速的目的；洗衣機(jī)是磁場(chǎng)對(duì)電流產(chǎn)生安培力，從而使洗衣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(fù)電，下板帶等量正電，兩板間還有垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)．一帶電粒子(不計(jì)重力)以速度v0垂直于電場(chǎng)線和磁感線射入，恰能沿直線穿過此區(qū)域．若使磁場(chǎng)增強(qiáng)，其他條件不變，粒子仍以v0垂直射入，則粒子落到極板上．設(shè)落到極板上時(shí)速度為v，則( ) A．v＝v0 B．v>v0 C．v下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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