2018版高中物理 第3章 打開電磁學(xué)的大門 第3節(jié) 洛倫茲力的應(yīng)用學(xué)案 魯科版選修1 -1.doc

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第3節(jié)　洛倫茲力的應(yīng)用 學(xué)　習(xí)　目　標 知　識　脈　絡(luò) 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．(重點、難點) 2.了解帶電粒子的磁偏轉(zhuǎn)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，(重點、難點)并了解加速器的基本用途. 磁 偏 轉(zhuǎn) 與 顯 像 管 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(zhuǎn)和偏轉(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． 1．黑白電視機的顯像管中只有一支電子槍．(√) 2．其他電器設(shè)備在工作時，不會對電視機產(chǎn)生影響．() 3．電子束撞擊熒光屏?xí)r熒光屏?xí)l(fā)光．(√) 1．電子束的磁偏轉(zhuǎn) 電子束在磁場中運動時，若速度方向與磁場方向垂直根據(jù)左手定則，運動電荷所受洛倫茲力方向始終與其速度方向垂直．因此洛倫茲力不能改變運動電荷速度的大小，只能改變運動的方向，使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)． 2．顯像管的工作原理 (1)工作原理：顯像管工作時，陰極發(fā)射電子，加速后電子在偏轉(zhuǎn)電場、磁場作用下打到熒光屏上不同位置，熒光屏因大量電子撞擊發(fā)光而形成圖像． (2)掃描：電子束打在熒光屏上的光點，按一定規(guī)則不斷在水平方向、豎直方向移動叫掃描．電子束從最上一行到最下一行掃描一遍叫做一場，電視機中每秒要進行50場掃描． 1．如圖331所示，如果在電子射線管上方平行于管軸放置一根載流導(dǎo)線，電流方向如圖所示，電子射線將朝什么方向偏轉(zhuǎn)？電流反向后情況會如何？想一想：為什么禁止將磁鐵靠近正在播放節(jié)目的電視機？ 圖331 【答案】　向下偏轉(zhuǎn)　向上偏轉(zhuǎn)　電視機顯像是靠電子轟擊熒光屏產(chǎn)生的，磁場將影響電子運動的軌跡，影響圖象質(zhì)量． 2．顯像管是電視機中的一個重要元件，如圖332所示為電視機顯像管的偏轉(zhuǎn)線圈示意圖，圓心黑點表示電子槍射出的電子，它的方向由紙內(nèi)指向紙外．當偏轉(zhuǎn)線圈通以圖示方向的電流時，電子束應(yīng)(　　) 圖332 A．向左偏轉(zhuǎn)　　 B．向上偏轉(zhuǎn) C．不偏轉(zhuǎn) D．向下偏轉(zhuǎn) 【解析】　偏轉(zhuǎn)線圈N極在右，S極在左，磁場方向向左，用左手定則，四指指向電子運動的反方向即可判斷． 【答案】　B 　磁 偏 轉(zhuǎn) 與 磁 流 體 發(fā) 電 機 1．磁流體發(fā)電機的構(gòu)造：由等離子源、磁極和兩個極板三部分構(gòu)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(dǎo)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(zhuǎn)，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． 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(zhuǎn)化效率．(√) 2．目前我國已大量利用磁流體發(fā)電．() 3．兩極板間電壓只與離子入射速度有關(guān)．() 1．裝置 如圖333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333 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(zhuǎn)，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(zhuǎn)，極板間的電壓達到穩(wěn)定． 3．電壓 設(shè)帶電粒子的運動速度為v，帶電荷量為q，磁場的磁感應(yīng)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. 3.(多選)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(zhuǎn)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、C錯誤，B正確．離子偏轉(zhuǎn)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 4．如圖335所示是等離子體發(fā)電機的示意圖，磁感應(yīng)強度為B，兩板間距離為d，要使輸出電壓為U，則等離子的速度v為________，a是電源的________極. 【導(dǎo)學(xué)號：18152071】 圖335 【解析】　由qvB＝q 得v＝， 由左手定則知正電荷向上偏，所以a端是電源的正極． 【答案】　　正 這是一類聯(lián)系實際的問題，要明確發(fā)電機的工作原理，綜合運動學(xué)的知識，利用共點力的平衡進行求解.解決此類復(fù)合場問題時，正確地對物體進行受力分析是關(guān)鍵. 磁 偏 轉(zhuǎn) 與 回 旋 加 速 器 1．回旋加速器的構(gòu)造：如圖336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336 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． 1．帶電粒子在磁場中運動可獲得能量．() 2．帶電粒子在勻強磁場中做圓周運動的周期與速度大小無關(guān)．(√) 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(yīng)強度B來決定． 1．回旋加速器：美國科學(xué)家勞倫斯于1932年制成了第一臺回旋加速器，其結(jié)構(gòu)如圖337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337 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338所示) 圖338 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(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運動周期相同的加速電壓． 5．(多選)關(guān)于回旋加速器加速帶電粒子所獲得的能量，下列提供的選項正確的是(　　) A．與加速器的半徑有關(guān)，半徑越大，能量越大 B．與加速器的磁場有關(guān)，磁場越強，能量越大 C．與加速器的電場有關(guān)，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(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能為Ek，由qvB＝m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A正確．同理與磁場也有關(guān)，選項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D錯誤．因為該能量與電場無關(guān)，所以選項C錯誤． 【答案】　AB 6．(多選)用回旋加速器來加速質(zhì)子，為了使質(zhì)子獲得的動能增加為原來的4倍，原則上可采用下列哪幾種方法(　　) A．將其磁感應(yīng)強度增大為原來的2倍 B．將其磁感應(yīng)強度增大為原來的4倍 C．將D形金屬盒的半徑增大為原來的2倍 D．將D形金屬盒的半徑增大為原來的4倍 【解析】　由公式qvB＝m，得v＝，動能增加為原來的4倍，速率增加為原來的2倍．故A、C正確． 【答案】　AC 7．如圖339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(zhuǎn)，反復(fù)運動，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？ 【導(dǎo)學(xué)號：18152072】 圖339 【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＝， 可見粒子射出時的最大速度vm與磁場的磁感應(yīng)強度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：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).