《【全程复习方略】2013版高中物理 8.2.磁场对运动电荷的作用课件 沪科版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【全程复习方略】2013版高中物理 8.2.磁场对运动电荷的作用课件 沪科版（70页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2讲 磁场对运动电荷的作用考点1 洛伦兹力的方向和大小1.洛伦兹力:磁场对_的作用力.2.洛伦兹力的方向(1)判断方法:左手定则磁感线垂直穿过_四指指向_的方向拇指指向_的方向运动电荷掌心正电荷运动正电荷所受洛伦兹力(2)方向特点:FB,Fv.即F垂直于_决定的平面.(注意:B和v不一定垂直).3.洛伦兹力的大小F=_,为v与B的夹角,如图所示.(1)vB时,=0或180,洛伦兹力F=_.(2)vB时,=90,洛伦兹力F=_.(3)v =0时,洛伦兹力F=_.B和vqvBsin0qvB01.洛伦兹力方向的特点(1)洛伦兹力的方向总是垂直于运动电荷速度方向和磁场方向确定的平面.(2)当电荷运动
2、方向发生变化时,洛伦兹力的方向也随之变化.(3)用左手定则判断负电荷在磁场中运动所受的洛伦兹力方向时,要注意判断结果与正电荷恰好相反.2.洛伦兹力与电场力的比较洛伦兹伦兹 力F电场电场 力F性质质产产生条件大小力方向与场场方向的关系做功情况对应力内容 项 目磁场对在其中运动电荷的作用力电场对放入其中电荷的作用力v0且v不与B平行电场中的电荷一定受到电场力作用F=qvB(vB)F=qE一定是FB,Fv与电荷电性无关正电荷受力与电场方向相同，负电荷受力与电场方向相反任何情况下都不做功可能做正功、负功，也可能不做功初速度为v0的电子,沿平行于通电长直导线的方向射出,直导线中电流方向与电子的初始运动方
3、向如图所示，则( )A.电子将向右偏转,速率不变B.电子将向左偏转,速率改变C.电子将向左偏转,速率不变D.电子将向右偏转,速率改变【解析】选A.导线在电子附近产生的磁场方向垂直纸面向里,由左手定则知,电子受到的洛伦兹力方向向右,电子向右偏转,但由于洛伦兹力不做功,电子速率不变,A正确.1.洛伦兹力的特点洛伦兹力不改变带电粒子速度的_,或者说,洛伦兹力对带电粒子不做功.2.粒子的运动性质(1)若v0B,则粒子_,在磁场中做匀速直线运动.(2)若v0B,则带电粒子在匀强磁场中做_.考点2 带电粒子在匀强磁场中的运动大小不受洛伦兹力匀速圆周运动3.半径和周期公式(1)洛伦兹力方向总与速度方向垂直,
4、正好起到了向心力的作用.根据牛顿第二定律,表达式为_.(2)半径公式r=_,周期公式T=_.1.圆心的确定(1)基本思路：与速度方向垂直的直线和图中弦的中垂线一定过圆心.(2)两种常见情形.已知入射方向和出射方向时,可通过入射点和出射点分别作垂直于入射方向和出射方向的直线,两条直线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图甲(a)所示,图中P为入射点,M为出射点).已知入射点和出射点的位置时,可以先通过入射点作入射方向的垂线,再连接入射点和出射点,作其中垂线,这两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图甲(b)所示,图中P为入射点,M为出射点).2.带电粒子在不同边界磁场中的运动(1)直线边界(进出磁场具有对
5、称性，如图乙).(2)平行边界(存在临界条件，如图丙).(3)圆形边界(沿径向射入必沿径向射出，如图丁).3.运动时间的确定粒子在磁场中运动一周的时间为T，当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为时，其运动时间由下式表示：(或 ).如图中MN表示真空室中垂直于纸面的平板,它的一侧有匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向里,磁感应强度大小为B.一带电粒子从平板上的狭缝O处以垂直于平板的初速度v射入磁场区域,最后到达平板上的P点.已知B、v以及P到O的距离l,不计重力,求此粒子的电荷量q与质量m之比.【解析】粒子初速度v垂直于磁场,粒子在磁场中受洛伦兹力而做匀速圆周运动,设其半径为R,由洛伦兹力公式和牛顿第二定律
6、,有因粒子经O点时的速度垂直于OP,故OP为直径,l=2R由此得答案:1.质谱仪(1)构造:如图所示,由粒子源、_、_和照相底片等构成.考点3 质谱仪和回旋加速器加速电场偏转磁场(2)原理.电场中加速:根据动能定理qU=_.磁场中偏转:粒子在磁场中受洛伦兹力作用而偏转,做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律得关系式qvB=_.(3)应用:分析粒子的比荷 或质量,确定_的存在.同位素2.回旋加速器(1)构造:如图所示,D1、D2是半圆金属盒,D形盒的缝隙处接_电源.D形盒处于匀强磁场中.交流(2)原理:交流电的周期和粒子做圆周运动的周期_,粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙,两盒间的电场强
7、度方向周期性地发生变化,粒子就会被一次一次地加速.相等1.根据质谱仪原理可以得出需要研究的物理量,如粒子轨道半径、粒子质量、比荷等.2.回旋加速器的最大动能根据 ,得 ,可见,(1)粒子最大动能与加速电压无关.(2)最大动能由D形盒的最大半径和磁感应强度决定.劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示.这台加速器由两个铜质D形盒构成，其间留有空隙.下列说法正确的是( )A.离子由加速器的中心附近进入加速器B.离子由加速器的边缘进入加速器C.离子从磁场中获得能量D.离子从电场中获得能量【解析】选A、D.离子在磁场中做匀速圆周运动，速度越大，轨道半径越大，所以离子要从加速器的中心附近进入加
8、速器.洛伦兹力总是垂直于速度的方向，所以磁场是不对离子做功的，它的作用只是改变离子的速度方向，而电场的作用才是加速离子，使之获得能量.由此可见，选项A、D是正确的.带电粒子在磁场中运动情况的讨论 【例证1】(2011浙江高考)利用如图所示装置可以选择一定速度范围内的带电粒子.图中板MN上方是磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场,板上有两条宽度分别为2d和d的缝,两缝近端相距为L.一群质量为m、电荷量为q,具有不同速度的粒子从宽度为2d的缝垂直于板MN进入磁场.对于能够从宽度为d的缝射出的粒子,下列说法正确的是( )A.粒子带正电B.射出粒子的最大速度为C.保持d和L不变,增大B,射出
9、粒子的最大速度与最小速度之差增大D.保持d和B不变,增大L,射出粒子的最大速度与最小速度之差增大【解题指南】解答本题应注意以下两点:(1)根据粒子偏转方向,由左手定则确定粒子带电性质.(2)确定最大半径和最小半径,从而计算最大速度和最小速度分析速度差.【自主解答】选B、C.根据题意,粒子进入磁场后向右偏转,所受洛伦兹力方向向右,根据左手定则,粒子应带负电,A错误.粒子能够从右边缝中射出,则最大半径为 ,最小半径为 ,由于洛伦兹力充当向心力,所以 ,可得:所以, 分析可得,B、C正确,D错误.【互动探究】保持d、L不变,若先进入磁场的是电子,后改为质子,要想使射出粒子速度之差的最大值保持不变,应
10、怎样调整磁场?【解析】根据 ,质子比荷较小,故应增大磁感应强度B.由于质子和电子电性相反,故还应将磁场的方向改为垂直于纸面向外.答案:见解析【总结提升】带电粒子在磁场中运动情况的讨论(1)粒子偏转方向由洛伦兹力方向决定,与磁场方向、粒子的速度方向及带电正、负有关.(2)粒子运动半径与速度大小、磁感应强度大小和比荷有关.(3)粒子运动周期与速度大小无关,只与磁感应强度大小和比荷有关.带电粒子在不同有界匀强磁场中的运动【例证2】(15分)如图所示,在空间有一直角坐标系xOy,直线OP与x轴正方向的夹角为30,第一象限内有两个方向都垂直纸面向外的匀强磁场区域和,直线OP是它们的理想边界,OP上方区域
11、中磁场的磁感应强度为B.一质量为m,电荷量为q的质子(不计重力,不计质子对磁场的影响)以速度v从O点沿与OP成30角的方向垂直磁场进入区域,质子先后通过磁场区域和后,恰好垂直打在x轴上的Q点(图中未画出),试求:(1)区域中磁场的磁感应强度大小;(2)Q点到O点的距离. 【解题指南】解答本题应注意以下四点:(1)根据边界条件和粒子入射方向确定粒子在磁场中运动的轨迹、圆心、圆心角等.(2)根据几何关系确定粒子运动轨迹的半径.(3)根据洛伦兹力提供向心力列出关系式确定区域的磁感应强度.(4)根据几何关系确定Q点到O点的距离.【规范解答】(1)设质子在匀强磁场区域和中做匀速圆周运动的轨道半径分别为r
12、1和r2,区域中磁感应强度为B,由牛顿第二定律得质子在两区域运动的轨迹如图所示,由几何关系可知,质子从A点出匀强磁场区域时的速度方向与OP的夹角为30,故质子在匀强磁场区域中运动轨迹对应的圆心角为=60则O1OA为等边三角形,即OA=r1 (2分)(2分)解得区域中磁感应强度为B=2B (2分)(2)Q点到O点的距离为(5分)答案：(1)2B (2)【总结提升】带电粒子在匀强磁场中运动问题的规范求解1.一般解题步骤(1)分析磁场的边界条件,结合粒子进出磁场的条件画出带电粒子运动轨迹,确定圆心.根据几何关系求解半径、圆心角等.(2)根据洛伦兹力提供向心力建立动力学方程,分析已知量和未知量的关系.
13、(3)求解未知量,并进行必要的分析验证.2.应注意的问题(1)不同边界条件,粒子运动临界条件不同,应画图加以说明.(2)所用几何关系不需要进行证明.(3)多个粒子参与运动,运动过程比较复杂时,各物理量符号要提前设定,以免混淆.【变式训练】如图所示,在直角坐标系的第象限和第象限中的直角三角形区域内,分布着磁感应强度均为B=5.010-3 T的匀强磁场,方向分别垂直纸面向外和向里.质量为m=6.6410-27 kg、电荷量为q=+3.210-19 C的粒子(不计粒子的重力),由静止开始经加速电压为U=1 205 V的电场(图中未画出)加速后,从坐标点 处平行于x轴向右运动,并先后通过两个匀强磁场区
14、域.(1)求粒子在磁场中的运动半径;(2)在图中画出粒子从直线x=-4到直线x=4之间的运动轨迹,并在图中标明轨迹与直线x=4交点的坐标;(3)求出粒子在两个磁场区域偏转所用的总时间.【解析】(1)粒子在电场中被加速,由动能定理得粒子在磁场中偏转,由牛顿第二定律得联立解得(2)由几何关系可得,粒子恰好垂直穿过分界线,故正确图像如图所示.(3)带电粒子在磁场中的运动周期粒子在两个磁场中分别偏转的弧度为 ,在磁场中的运动总时间答案:(1) m (2)见解析 (3)6.510-6 s【变式备选】在真空中，半径为R的圆形区域内存在垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B，在此区域外围足够大空间有垂直
15、纸面向里的大小也为B的匀强磁场，一个带正电的粒子从边界上的P点沿半径向外，以速度v0进入外围磁场，已知带电粒子质量m=210-10 kg，带电量q=510-6 C，不计重力，磁感应强度B=1 T，粒子运动速度v0=5103 m/s，圆形区域半径R=0.2 m，试画出粒子运动轨迹并求出粒子第一次回到P点所需时间(计算结果可以用表示).【解析】由洛伦兹力提供向心力：r=0.2 m=R轨迹如图所示.运动周期为t=2T=1610-5 s答案：轨迹见解析图 1610-5 s带电粒子在磁场中运动的实际应用【例证3】回旋加速器是用于加速带电粒子流，使之获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属扁盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接，以便在盒间狭缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过狭缝都得到加速；两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子电荷量为q、质量为m，粒子最大回旋半径为Rm，磁场的磁感应强度为B,其运动轨迹如图所示，问：(1)粒子在盒内磁场中做何种运动？(2
