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新沂市公开课教案 洛仑兹力在近代技术中的应用 周宛红 新沂市第一中学 2006．2 洛仑兹力在近代技术中的应用 教学目的：1。了解洛仑兹力在近代技术中的应用 2．掌握洛仑兹力一般解题技巧 教学重点：洛仑兹力的应用 教学内容： 一、速度选择器 　构造：如图示，当带正电的粒子从左侧平行于极板射入时，带电粒子同时受到电场力F=qE,和洛伦兹力作用，当两者等大反向时，粒子不偏转，而是沿直线匀速运动，qE=，∴，即只要粒子以的速度沿垂直于磁场和电场的方向射入正交的电场、磁场中就不发生偏转。 注意：（1）任何一个存在正交电场和磁场的空间都可看作速度选择器。 （2）速度选择器只选择速度大小而不选择粒子的种类。即只要，粒子就能沿直线匀速通过选择器，而与粒子的电性、电量、质量无关。（不计重力） （3）对某一确定的速度选择器，有确定的入口和出口，在图中所示速度选择器中，入口在左端，出口在右端，若带电粒子从右端射入时，由于洛伦兹力和电场力同向，粒子必发生偏转。 例 (上海高考题) 如图所示，一束质量、速度和电量不同的正离子垂直地射入匀强磁场和匀强电场正交的区域里，结果发现有些离子保持原来的运动方向，未发生任何偏转。如果让这些不偏转离子进入另一匀强磁场中，发现这些离子又分裂成几束，对这些进入后一磁场的离子，可得出结论 ( ) 它们的动能一定各不相同它们的电量一定各不相同 它们的质量一定各不相同 D．它们的电量与质量之比一定各不相同 规律总结 图给装置叫速度选择器，从前一混合场中直线射出的离子速度一定相同，速度相同的离子由于荷质比不同又要在后一磁场中分离。构造：如右图所示，质谱仪由速度选择器和MN板右侧的偏转分离磁场两部分组成。图示质谱仪先对离子束进行速度选择后，相同速率的不同离子在右侧的偏转磁场B/中做匀速圆周运动，不同比荷的离子轨道半径不同，将落在MN板的不同位置，由此测定带电粒子的质量和分析同位素。 例2：如图，Ａ为电离室，产生带正电的某种未知粒子，从下方小孔Ｓ1飘入电势差为U的加速电场，然后由小孔S3进入磁感强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动，最后达到照相底片D上的P点。若测得S3到P点的距离为x,求该未知粒子的比荷。 三、回旋加速器 （1）构造：核心部分是两个D型的金属扁盒，两盒之间留一窄缝，其中心处有离子源，D型盒放在真空中。整个装置放在巨大的电磁铁产生的强匀强磁场中，并把两个D型盒分别接在高频电源的两极上。 （2）工作原理 利用周期性改变极性的电场和稳定的磁场相配合，就使带电粒子能够在较小的空间回旋加速，如图所示，带电粒子从P处粒子源射出，以某一速率垂直射入匀强磁场，在磁场中做匀速圆周运动，经过半个周期，当粒子再次从b板进入电场时，恰逢a负b正的加速电场，然后以速率从a板进入磁场，再经过半个周期，又以速率从a板进入电场，此时恰逢电场方向改为a正b负，粒子再一次被加速……，如此周而复始， 粒子每次通过电场时都是被加速，能量越来越大。 （3）加速的条件是高频电源的周期必须等于粒子的回旋周期，即：。 （4）粒子做最后一圈圆周运动的半径等于D形盒的半径。 例3：有一回旋加速器，它的交变电压的频率为12×106Hz，半圆形电极的半径为0.53m，问：加速氘核所需的磁场的磁感强度要多大？氘核的最大动能是多大？（已知氘核的质量为3.3×10-27kg,电量为1.6×10-19C） 练习．两个相同的回旋加速器，分别接在加速电压U1和U2的高频交流电源上，且U2，有两个相同的带电粒子分别在这两个加速器中运动。设两个粒子在加速器中运动的时间分别为和，和，则有 A． , = B．=， C．， D．， 例4如图所示为回旋加速器的示意图，已知D形盒的半径为 R，中心上半面出口处D放有质量为m，带电量为的正离子源，若磁感应强度大小为B，求：(1)加在D形盒间的高频电源的频率；(2)离子加速后的最大能量 解析 (1)带电粒子在一个D形盒内做半个圆周运动到达窄缝时，只有高频电源的电压也经历了半个周期的变化，才能保证带电粒子在到达窄缝时总是遇到加速电场，这是带电粒子能不断被加速的前提条件，带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期： T与速率v和圆半径r无关，只决定于粒子的荷质比和磁感应强度B，所以粒子做圆周运动周期保持不变。由于二D形盒之间窄缝距离很小，可以忽略粒子穿过所用时间，因此高频电源的周期应等于粒子做圆周运动的周期，故高频电源的频率应取： (2)离子加速后，从D形盒引出时的能量达到最大，当粒子从D形盒引出时，粒子做最后一圈圆周运动的半径就等于D形盒的半径R，由带电拉子做圆周运动的半径