原创精品课件：6.3 洛伦兹力的应用(讲授式)

1、第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 第第 3 节节 洛伦兹力的应用洛伦兹力的应用第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用磁场对电流和运动电荷的作用 第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 一、带电粒子在匀强磁场中的运动一、带电粒子在匀强磁场中的运动（1）带电粒子平行于磁场方向射入时，带电粒子不受力，做）带电粒子平行于磁场方向射入时，带电粒子不受力，做_运动；运动；（2）带电粒子垂直于磁场方向射入时，洛伦兹力总始终与速度方向）带电粒子垂直于磁场方向射入时，洛伦兹力总始终与速度方向_, 所以洛伦兹力对带电粒子所以洛伦兹力对带电粒子_ 。（3）带电粒子垂直于磁场方向射入时，洛伦兹力总与速度方

2、向）带电粒子垂直于磁场方向射入时，洛伦兹力总与速度方向_,起到向心力的作用，所以带电粒子在匀强磁场中做起到向心力的作用，所以带电粒子在匀强磁场中做_运动运动（3）带电粒子做匀速圆周运动的半径大小与匀强磁场的磁感应强度、）带电粒子做匀速圆周运动的半径大小与匀强磁场的磁感应强度、粒子的速度大小有关粒子的速度大小有关.匀速直线匀速直线垂直垂直匀速圆周匀速圆周垂直垂直不做功不做功课前预习第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 （4）圆周运动的半径和周期）圆周运动的半径和周期质量为质量为m、带电量为、带电量为q的粒子，以速度的粒子，以速度v垂直射入磁感应强度为垂直射入磁感应强度为B的的匀强磁场，粒子做

3、匀速圆周运动所需向心力是由匀强磁场，粒子做匀速圆周运动所需向心力是由_提供提供,根据牛顿第二定律和圆周运动公式求得半径与周期根据牛顿第二定律和圆周运动公式求得半径与周期洛伦兹力洛伦兹力课前预习第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 二、回旋加速器和质谱仪二、回旋加速器和质谱仪1回旋加速器回旋加速器（1）构造图：如图所示回旋加速）构造图：如图所示回旋加速器 的 核 心 部 件 是 两 个 半 圆 形器 的 核 心 部 件 是 两 个 半 圆 形_中空铜盒中空铜盒(2)原理：交流电的周期和粒子做圆周原理：交流电的周期和粒子做圆周运动的周期运动的周期 ，粒子在圆周运动的，粒子在圆周运动的过程中一次

4、一次地经过过程中一次一次地经过D形盒缝隙，形盒缝隙，两盒间的电势差一次一次地反向，粒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。子就会被一次一次地加速。(3)由由qvB，得，得Ekm ，可见粒，可见粒子获得的最大动能由子获得的最大动能由_ 决定，与加速电压决定，与加速电压_ 相等相等无关无关qmBR课前预习第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 2质谱仪质谱仪(1)原理图：如图所示原理图：如图所示(2)加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场，加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得：由动能定理得：_mv2(3)偏转：带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做偏转：带电粒子进入质谱仪的偏转

5、磁场做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力：匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力：_(4) 由由=可知粒子的比荷与可知粒子的比荷与_的平方的平方成反比成反比(5)应用应用:测定带电粒子的质量和分析测定带电粒子的质量和分析_ qUqvB偏转距离偏转距离x同位素同位素课前预习第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 新课引入：新课引入：1.带电粒子平行射入匀强磁场的运带电粒子平行射入匀强磁场的运动状态？动状态？ （重力不计）（重力不计）新课教学匀速直线运动匀速直线运动2.带电粒子垂直射入匀强磁场将如何运带电粒子垂直射入匀强磁场将如何运动？动？ （重力不计）（重力不计）猜想猜想:带电粒子将在垂直于磁场的平面

6、带电粒子将在垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动内做匀速圆周运动第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 亥姆霍兹线圈亥姆霍兹线圈加速电压选择加速电压选择挡挡磁场强弱选择挡磁场强弱选择挡电电 子子 枪枪洛伦兹力演示仪洛伦兹力演示仪实验验证实验验证新课教学第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 带带电电粒粒子子在在匀匀强强磁磁场场中中的的运运动动新课教学第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 实验结论实验结论:1.带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动2.粒子做圆周运动的半径与粒子粒子做圆周运动的半径与粒子速度速度有关有关,半半径随速度的增大而径随速度的增大而增大增

7、大3.粒子做圆周运动的半径与粒子做圆周运动的半径与磁场强弱磁场强弱有关有关,半半径随磁场的增强而径随磁场的增强而减小减小新课教学第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 1.1.粒子做圆周运动的半径：粒子做圆周运动的半径：rvmBqv2Bqmvr 2.2.粒子做圆周运动的周期粒子做圆周运动的周期BqmvrT22周期周期T T与运动速度及运动半径无关与运动速度及运动半径无关新课教学一、带电粒子在磁场中的圆周运动一、带电粒子在磁场中的圆周运动第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 动画模拟动画模拟: :带电粒子在匀强磁场中的运动带电粒子在匀强磁场中的运动圆心一定在与速度方向垂直的直线上圆心一定在

8、与速度方向垂直的直线上新课教学第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 实例分析实例分析:带电粒子在气泡室运动径迹带电粒子在气泡室运动径迹由于能量损失由于能量损失,粒子的速度越粒子的速度越来越小来越小,故轨迹故轨迹半径越来越小半径越来越小新课教学第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 例例1.一个带电粒子沿垂直于磁场方向射入一匀强磁一个带电粒子沿垂直于磁场方向射入一匀强磁场，粒子的一段运动径迹如图所示，径迹上每一场，粒子的一段运动径迹如图所示，径迹上每一小段可近似看成圆弧，由于带电粒子的运动使沿小段可近似看成圆弧，由于带电粒子的运动使沿途的空气电离，粒子的动能逐渐减小（电量不途的空气电离，粒

9、子的动能逐渐减小（电量不变），从图中情况可以确定（）变），从图中情况可以确定（）A、粒子从、粒子从a到到b，带正电，带正电、粒子从、粒子从b到到a，带正电，带正电、粒子从、粒子从a到到b，带负电，带负电、粒子从、粒子从b到到a，带负电，带负电典例精析典例精析 a。b。粒子动能减小粒子动能减小,粒子的速度减粒子的速度减小小,故轨迹半故轨迹半径越来越小径越来越小利用左手定利用左手定则判断电性则判断电性第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 二、回旋加速器二、回旋加速器1、直线加速器、直线加速器原理：利用加速电场对带电粒子做正原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加功使带电粒子的动能

10、增加Ek=qU 由动能定理得带电粒子经几级的电场由动能定理得带电粒子经几级的电场加速后增加的动能为加速后增加的动能为Ek=q( U1+U2+U3+Un )新课教学若需要很大的动若需要很大的动能的粒子，利用能的粒子，利用直线加速器是否直线加速器是否方便？为什么？方便？为什么？那应该怎么办？那应该怎么办？第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 2、回旋加速器、回旋加速器（1）构造）构造（2）工作原理）工作原理新课教学第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 3、带电粒子的最终能量、带电粒子的最终能量当带电粒子的速度最大时，其在磁场中的当带电粒子的速度最大时，其在磁场中的转动半径也最大，由转动半径

11、也最大，由r=mv/qB知道知道v=qBr/m若若D形盒的半径为形盒的半径为R时，带电粒子的出射速时，带电粒子的出射速度变为度变为v=qBR/m所以，带电粒子的最终动能为所以，带电粒子的最终动能为即粒子的最终动能由即粒子的最终动能由磁感应强度磁感应强度B和和D形盒的形盒的半径半径R决定决定新课教学4、交流电的周期、交流电的周期:交流电的周期交流电的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期与粒子在磁场中做圆周运动周期第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 例例2.回旋加速器核心部分是两个回旋加速器核心部分是两个D形金属扁盒，形金属扁盒，两盒和高频交流电源两极相接，在盒内的狭缝两盒和高频交流电源两极相接

12、，在盒内的狭缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过狭缝时都得中形成匀强电场，使粒子每次穿过狭缝时都得到加速，两盒放在磁感应强度为到加速，两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源射出的粒子电磁场方向垂直于盒底面，粒子源射出的粒子电荷量为荷量为q，质量为，质量为m，粒子最大回旋半径为，粒子最大回旋半径为R.(1)粒子在盒内做何种运动；粒子在盒内做何种运动；(2)所加交变电流频率及粒子角速度；所加交变电流频率及粒子角速度；(3)粒子离开加速器时的最大速度及最大动能粒子离开加速器时的最大速度及最大动能典例精析第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 例例2.题目已知粒子

13、电荷量为题目已知粒子电荷量为q，质量为，质量为m，粒子，粒子最大回旋半径为最大回旋半径为R.(1)粒子在盒内做何种运动；粒子在盒内做何种运动；答案答案: :带电粒子在盒内在洛伦兹力作带电粒子在盒内在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，每次加速之用下做匀速圆周运动，每次加速之后半径变大后半径变大典例精析第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 例例2.题目已知粒子电荷量为题目已知粒子电荷量为q，质量为，质量为m，粒子，粒子最大回旋半径为最大回旋半径为R.(2)所加交变电流频率及粒子角速度所加交变电流频率及粒子角速度提示提示: :交流电的周期等于粒子做圆周运动的周期交流电的周期等于粒子做圆周运动的周期解

14、析解析:(2) 高频交变电流频率要等于粒高频交变电流频率要等于粒子回旋频率，因为子回旋频率，因为T，回旋频率，回旋频率f，角速度，角速度2f . 典例精析第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 例例2.题目已知粒子电荷量为题目已知粒子电荷量为q，质量为，质量为m，粒子，粒子最大回旋半径为最大回旋半径为R.(3)粒子离开加速器时的最大速度及最大动能粒子离开加速器时的最大速度及最大动能提示提示: :粒子运动半径等于粒子运动半径等于D形盒时形盒时, ,速度最大速度最大, ,动能最大动能最大解析解析:(3)由牛顿第二定律知由牛顿第二定律知qBvmax则则Rmax，vmax最大动能最大动能Ekmaxm

15、 典例精析第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 三、质谱仪原理分析三、质谱仪原理分析1、质谱仪是测量带电粒子质、质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具量和分析同位素的重要工具质谱仪与现代科技质谱仪与现代科技新课教学第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 2、质谱仪基本原理、质谱仪基本原理质量不等、电荷数相等的带电粒子经质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场，由于粒子速度不同，引起轨迹半场，由于粒子速度不同，引起轨迹半径不同，径不同， 使粒子按质量顺序排列，使粒子按质量顺序排列，3、推导、推导212qUmv加速：12m v

16、RxqB=偏 转 ：2281qUmBx=新课教学第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 例例3.一个质量为一个质量为m、电荷量为、电荷量为q的粒子，的粒子，从容器下方的小孔从容器下方的小孔S1飘入电势差为飘入电势差为的的加速电场，然后经过加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为的方向进入磁感应强度为的匀强磁场的匀强磁场中，最后打到照相底片上求：中，最后打到照相底片上求：（）求粒子进入磁场时的速率（）求粒子进入磁场时的速率（）求粒子在磁场中运动的轨道半径（）求粒子在磁场中运动的轨道半径典例精析第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 例例3.一个质量为一个质量为

17、m、电荷量为、电荷量为q的粒子，的粒子，从容器下方的小孔从容器下方的小孔S1飘入电势差为飘入电势差为的的加速电场，然后经过加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为的方向进入磁感应强度为的匀强磁场的匀强磁场中，最后打到照相底片上求：中，最后打到照相底片上求：（）求粒子进入磁场时的速率（）求粒子进入磁场时的速率粒子初速度为零粒子初速度为零粒子经电场加速粒子经电场加速2122qUm vqUvm解 ： 由 可 得 ：典例精析第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 例例3.一个质量为一个质量为m、电荷量为、电荷量为q的粒子，的粒子，从容器下方的小孔从容器下方的小孔S1飘

18、入电势差为飘入电势差为的的加速电场，然后经过加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为的方向进入磁感应强度为的匀强磁场的匀强磁场中，最后打到照相底片上求：中，最后打到照相底片上求：（）求粒子在磁场中运动的轨道半径（）求粒子在磁场中运动的轨道半径粒子在磁场中做粒子在磁场中做圆周运动，洛伦圆周运动，洛伦兹力提供向心力兹力提供向心力2r12vm vqvBmrqBm UvrBq解 ： 由 得代 入可 得 ：典例精析第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 例例4.已知氢核与氦核的质量之比已知氢核与氦核的质量之比m1 m21 4，电荷量之比电荷量之比q1 q21 2，当氢核

19、与氦核以，当氢核与氦核以v1 v24 1的速度，垂直于磁场方向射入磁场后，分的速度，垂直于磁场方向射入磁场后，分别做匀速圆周运动，则氢核与氦核半径之比别做匀速圆周运动，则氢核与氦核半径之比r1 r2_，周期之比，周期之比T1 T2_.典例精析由洛伦兹力提供向由洛伦兹力提供向心力确定半径大小心力确定半径大小利用周期公式分析利用周期公式分析求解求解第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 例例4.已知已知:质量之比质量之比m1 m21 4，电荷量之比电荷量之比q1 q21 2，速度之比速度之比v1 v24 1求求:半径之比半径之比r1 r2周期之比周期之比T1 T2典例精析答案答案2 11 2第六

20、章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 1两个粒子，电荷量相等，在同一匀强磁场中只受磁两个粒子，电荷量相等，在同一匀强磁场中只受磁场力而做匀速圆周运动场力而做匀速圆周运动()A若速率相等，则半径必相等若速率相等，则半径必相等B若质量相等，则周期必相等若质量相等，则周期必相等C若周期相等，则半径必相等若周期相等，则半径必相等D若动能相等，则半径必相等若动能相等，则半径必相等答案：答案：B课堂练习第六章第六章 磁场对电流和运动电荷的作用 2在回旋加速器中在回旋加速器中()A电场用来加速带电粒子，磁场则使带电粒子回旋电场用来加速带电粒子，磁场则使带电粒子回旋B电场和磁场同时用来加速带电粒子电场和磁场同时用来加速带电粒子C磁场相同的条件下，回旋加速器的半径越大，则带磁场相同的条件下，回旋加速器的半径越大，则带电粒子获得的动能越大电粒子获得的动能越大D同一带电粒子获得的最大动能只与交流电压的大小同一带电粒子获得的