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5.6 洛伦兹力与现代科技 一、课标要求 1、了解洛伦兹力在现代科技中的广泛应用，理解各种仪器的原理和作用。 2、掌握带电粒子在复合场中运动问题的解题方法和技巧。 3、在新的问题情景中，在思考、探讨活动中，体会、感悟用基本物理知识解决科学研究中问题的方法。 4、通过创设真实的、有研究意义的问题情境，激发学生探究问题的热情，了解现代科技研究的发展近况。 二、课前复习 1、当一个带电粒子 垂直 射入匀强 磁场时做匀速圆周运动，其向心力是由洛伦兹力提供的 2、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径R和周期T的公式为： 由,得R=； 由，得T= 三、自主探究 1、回旋加速器 （1）什么是加速器：使带电粒子获得高能量的设备。 （2）从直线加速器到回旋加速器 思考与讨论：早期的加速器是通过什么方式提高粒子能量的？它与直线加速器都存在怎样的弊端？ 提示：早期的加速器是用不断提高电源的电压来加速的。而实际所能达到的电压是有限的，因此粒子能量最高只能达到约10MeV。直线加速器，是让带电粒子在多级电场的作用下进行多次加速，这样就导致整个加速器很长。 （3）回旋加速器的原理 ①构造：核心部分是两个D形金属扁盒，它们之间有一间隙，间隙中心A处是粒子源。D形金属扁盒装在真空室内，磁场方向垂直于D形盒的底面，使带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。两个D形盒分别与高频电源的两极相连，使间隙中产生交变电场，用来加速带电粒子。 ②原理： 思考与讨论1：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与速度增大时，它的运动周期T是否变化?为什么？要保证粒子每次经过D形盒的间隙时，都能受到合适的电场力加速，高频电源的频率应符合怎样的要求？ 提示：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与速度增大时，它的运动周期T不变，周期T=，与半径和速度没有关系；要保证粒子每次经过D形盒的间隙时，都能受到合适的电场力加速，需使粒子每转半圈，电场改变一次方向，即粒子转一圈，电场改变方向两次，电场的周期与粒子旋转周期相同T=。 思考与讨论2：普通的回旋加速器存在怎样的弊端？加速器又经历了怎样的创新历程？ 提示：普通加速器的磁场是均匀的，加速电场的频率也是不变的。由于相对论效应，粒子在加速过程中，能量的提高会引起它质量的增大，从而导致回旋周期增大，使粒子的回旋频率与加速电场的交变频率不再同步，因而粒子得不到持续的加速。 为了得到更高能量的粒子，回旋加速器经历了三次革命：先是对高频加速电场的频率进行调整，研制同步回旋加速器；后又研制出磁场呈某种分布的回旋加速器，它能使不同质量的粒子在不同半径的轨道上回旋频率保持不变；后科学家运用对撞可使加速粒子能量得到充分利用的原理建成了对撞机，从此开创了加速器发展的新纪元。现在加速器的能力提高了9个数量级，每单位能量的造价降低了约4个数量级。 2、质谱仪 （1）作用：分析同位素和测量带电粒子质量的精密仪器。 （2）原理： 如右图所示： ①经过加速电场后的粒子速度为多少？ qU = mv2/2， v = √2qU/m ②进入速度选择器的粒子具有怎样大小的速度，才能顺利进入磁场？B1qv = qE，V = E/B1 ③求落点到入口的距离X？ B2qv = mv2/R，R = mv/qB2，X = 2R = 2mv/qB2 = 2mE/qB1B2 　 四、典型例题 知识点1、回旋加速器的理解 例题1、如图所示，回旋加速器D型盒的半径为R,匀强磁场的磁感应强度为B，高频电场的电压为U，So为粒子源，S’为引出口。若被加速粒子的质量为m，电荷量为q，设粒子加速时质量不变，且不考虑粒子从粒子源出来时具有的能量。求： ⑴粒子从加速器中射出时所具有的能量？ ⑵外加电场的变化周期为多少？ ⑶粒子在加速器中被加速的时间共为多少？ 答案与解析： ⑴R= v=所以E== ⑵T= ⑶设在该仪器中一共转了N周 每周转的能量E/=2Uq 所以N= 所以t=NT= 拓展提升：研究带电粒子在复合场中运动时，是否考虑重力要依据具体情况而定： ①微观基本粒子：如电子、质子、粒子、离子等，除有说明或有明确暗示以外，一般都不考虑重力。 ②宏观带电颗粒，如液滴、油滴、尘埃、小球等，除有说明或有明确暗示以外，一般都不能忽略重力。 知识点2、速度选择器 例2、如图所示，在平行带电金属板间有垂直纸面向里的匀强磁场，质子）、氘核）、氚核）沿平行金属板方向以相同动能射两板间，其中氘核沿直线运动未发生偏转，质子和氚核发生偏转后射出，则 ( ) A．偏向正极板的是质子 B．偏向正极板的是氚核 C．射出时动能最的是质子 D．射出时动能最的是氚核 。三个粒子射入复合场中，都受到向下的电场力和向上的洛伦兹力，其中氘核沿直线运动未发生偏转，Bqv = qE，V = E/B，则质子Bqv qE，向上