第六节 洛伦兹力与现代技术
[学科素养与目标要求]
物理观念：1.掌握带电粒子在匀强磁场中运动的规律.2.知道质谱仪、回旋加速器的构造和工作原理.
科学思维：1.掌握带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的分析方法，会推导匀速圆周运动的半径公式和周期公式.2.会利用相关规律解决质谱仪、回旋加速器问题.
一、带电粒子在磁场中的运动
1.实验探究：
(1)洛伦兹力演示仪：电子射线管内的电子枪(即阴极)发射出电子束，使管内的氢气发出辉光，这样就可显示出电子的径迹.
(2)实验现象：
①当没有磁场作用时，电子的运动轨迹是直线.
②当电子垂直射入磁场时，电子的运动轨迹是圆.
2.带电粒子在洛伦兹力作用下的圆周运动：
(1)运动性质：匀速圆周运动.
(2)向心力：由洛伦兹力提供，即qvB＝m.
(3)半径：r＝.
(4)周期：T＝，周期与磁感应强度B成反比，与轨道半径r和速率v无关.
二、质谱仪
图1为质谱仪工作原理示意图.
图1
1.结构
质谱仪主要由粒子源、加速电场、速度选择器、偏转磁场和照相底片等几部分组成.
2.原理
(1)加速：S1和S2之间存在着加速电场，粒子在该区域内被加速，由动能定理：qU＝mv2.
(2)匀速直线运动：P1、P2之间存在着互相正交的匀强磁场和匀强电场.只有满足v＝的带电粒子才能做匀速直线运动通过S0上的狭缝.
(3)匀速圆周运动：S0下方空间只存在匀强磁场.带电粒子在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，运动半径r＝，则＝＝.
3.应用
可以测定带电粒子的质量和分析同位素.
三、回旋加速器
1.构造图(如图2所示)
图2
2.工作原理
(1)电场的特点及作用
特点：两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的电场.
作用：带电粒子经过该区域时被加速.
(2)磁场的特点及作用
特点：D形盒处于与盒面垂直的匀强磁场中.
作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，从而改变运动方向，半个周期后再次进入电场.
1.判断下列说法的正误.
(1)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，轨道半径跟粒子的速率成正比.(√)
(2)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期与轨道半径成正比.(×)
(3)运动电荷在匀强磁场中做圆周运动的周期随速度增大而减小.(×)
(4)因不同原子的质量不同，所以同位素在质谱仪中的轨道半径不同.(√)
(5)利用回旋加速器加速带电粒子，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R.(√)
