浙江專(zhuān)用2018-2019學(xué)年高中物理第三章磁場(chǎng)3-6帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)案新人教版選修3 .doc
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第6節(jié) 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) [研究學(xué)考明確要求] 知識(shí)內(nèi)容 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 考試要求 選考d 發(fā)展要求 1.認(rèn)識(shí)洛倫茲力只改變帶電粒子速度的方向，不改變帶電粒子速度的大小，洛倫茲力不對(duì)帶電粒子做功。 2．了解垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)的帶電粒子，在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。 3．能推導(dǎo)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑和周期表達(dá)式，理解周期與速度的無(wú)關(guān)性。 4．能求解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。 5．了解質(zhì)譜儀的原理和用途。 6．知道加速器的用途，了解回旋回速器的基本結(jié)構(gòu)和原理。 7．體會(huì)回旋加速器設(shè)計(jì)中蘊(yùn)含的思想方法。 [基 礎(chǔ) 梳 理] 1．帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，它所受的洛倫茲力總與速度方向垂直，所以洛倫茲力對(duì)帶電粒子不做功(填“做功”或“不做功”)，粒子的動(dòng)能大小不變(填“改變”或“不變”)，速度大小不變(填“改變”或“不變”)，故沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入磁場(chǎng)的帶電粒子，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。 2．勻速圓周運(yùn)動(dòng)：若帶電粒子(不計(jì)重力)垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，洛倫茲力提供了帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。 設(shè)粒子的速度為v，質(zhì)量為m，電荷量為q，有qvB＝m，得到軌道半徑r＝， 由軌道半徑與周期的關(guān)系得到運(yùn)動(dòng)周期為 T＝＝＝。 [典 例 精 析] 【例1】 質(zhì)子和α粒子由靜止出發(fā)經(jīng)過(guò)同一加速電場(chǎng)加速后，沿垂直磁感線(xiàn)方向進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則它們?cè)诖艌?chǎng)中的各運(yùn)動(dòng)量間的關(guān)系正確的是( ) A．速度之比為2∶1 B．周期之比為1∶2 C．半徑之比為1∶2 D．角速度之比為1∶1 解析 由qU＝mv2① qvB＝② 得r＝，而mα＝4mH，qα＝2qH，故RH∶Rα＝1∶，又T＝，故TH∶Tα＝1∶2。同理可求其他物理量之比。 答案 B [即 學(xué) 即 練] 1．(2018臺(tái)州質(zhì)量評(píng)估)用洛倫茲力演示儀可以觀察電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)徑跡。圖1甲是洛倫茲力演示儀的實(shí)物圖，圖乙是結(jié)構(gòu)示意圖。勵(lì)磁線(xiàn)圈通電后可以產(chǎn)生垂直紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，勵(lì)磁線(xiàn)圈中的電流越大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng)。圖乙中電子經(jīng)電子槍中的加速電場(chǎng)加速后水平向左垂直磁感線(xiàn)方向射入磁場(chǎng)。下列關(guān)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和分析正確的是( ) 圖1 A．僅增大勵(lì)磁線(xiàn)圈中的電流，電子束徑跡的半徑變小 B．僅升高電子槍加速電場(chǎng)的電壓，電子束徑跡的半徑變小 C．僅升高電子槍加速電場(chǎng)的電壓，電子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期將變小 D．要使電子形成如圖乙中的運(yùn)動(dòng)徑跡，勵(lì)磁線(xiàn)圈應(yīng)通以逆時(shí)針?lè)较虻碾娏? 解析 僅增大勵(lì)磁線(xiàn)圈中的電流，磁場(chǎng)增強(qiáng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B增大，由evB＝m2得r＝，即r減小，電子束徑跡半徑變小，A正確；僅升高電子槍加速電場(chǎng)的電壓U，由動(dòng)能定理eU＝mv2得v＝，即v增大，又r＝，所以電子束徑跡的半徑變大，B錯(cuò)誤；因T＝＝，周期與速度v大小無(wú)關(guān)，電子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期不變，C錯(cuò)誤；要使電子形成圖乙中的運(yùn)動(dòng)徑跡，玻璃泡內(nèi)磁場(chǎng)方向應(yīng)垂直紙面向里，而要形成垂直紙面向里的磁場(chǎng)，由安培定則知，勵(lì)磁線(xiàn)圈中應(yīng)通以順時(shí)針?lè)较虻碾娏?，D錯(cuò)誤。 答案 A [基 礎(chǔ) 梳 理] 1．原理如圖2所示 圖2 2．加速：帶電粒子進(jìn)入質(zhì)譜儀的加速電場(chǎng)，由動(dòng)能定理： qU＝mv2① 3．偏轉(zhuǎn)：帶電粒子進(jìn)入質(zhì)譜儀的偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，洛倫茲力提供向心力：qvB＝② 4．由①②兩式可以求出粒子的比荷、質(zhì)量以及偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度等。 5．應(yīng)用：可以測(cè)定帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素。 [典 例 精 析] 【例2】 如圖3是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖。帶電粒子被加速電場(chǎng)加速后，進(jìn)入速度選擇器。速度選擇器內(nèi)存在正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)。勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度為E。平板S上有可讓粒子通過(guò)的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2。平板S下方有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。下列表述正確的是( ) 圖3 A．質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具 B．速度選擇器中的磁場(chǎng)方向垂直于紙面向內(nèi) C．能通過(guò)狹縫P的帶電粒子的速率等于 D．粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的比荷越小 解析 因同位素原子的化學(xué)性質(zhì)完全相同，無(wú)法用化學(xué)方法進(jìn)行分析，故質(zhì)譜儀就成為同位素分析的重要工具，選項(xiàng)A正確；在速度選擇器中，帶電粒子所受電場(chǎng)力和洛倫茲力在粒子沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)等大反向，結(jié)合左手定則可知選項(xiàng)B錯(cuò)誤；再由qE＝qvB有v＝，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中R＝，所以＝，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。 答案 A (1)任何粒子只要滿(mǎn)足v＝，就能勻速直線(xiàn)通過(guò)選擇器，與粒子的電荷量、質(zhì)量無(wú)關(guān)。 (2)速度選擇器只能單向應(yīng)用。對(duì)于上題圖所示速度選擇器，如從下方射入，則正、負(fù)粒子所受電場(chǎng)力和洛倫茲力方向相同，不可能做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。 [即 學(xué) 即 練] 2．(2018浙江東陽(yáng)中學(xué)模擬)如圖4所示，一質(zhì)子(不計(jì)重力)以速度v穿過(guò)互相垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)區(qū)域而沒(méi)有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則( ) 圖4 A．若電子以相同速度v射入該區(qū)域，將會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn) B．無(wú)論何種帶電粒子，只要以相同速度射入都不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn) C．若質(zhì)子的速度v′下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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