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高中物理教科版（2019）选择性必修第二册
第一章 安培力与洛伦兹力
第4节 洛伦兹力的应用
1.了解洛伦兹力在显像管中的应用。
2.知道质谱仪的构造及工作原理,会确定粒子在磁场中运动的半径,会求粒子的比荷。
3.知道回旋加速器的构造及工作原理,知道交流电的周期与粒子在磁场中运动的周期之间的关系,知道决定粒子最大动能的因素。
如图所示，磁场半径为r，磁感应强度大小为B，一质量为m、电荷量为＋q的粒子，以速度v0沿半径方向射入磁场，从Q点沿半径方向射出磁场，速度方向偏转角度为θ，试求偏转角度θ的大小.（用q、r、B、m、v0表示）
1.利用磁场控制带电粒子运动
提示：由qv0B=
得：R=
O'
R
θ
F
F
磁场控制带电粒子运动的特点：
只改变带电粒子速度方向，不改变带电粒子速度大小.
显像管中有一个电子枪，工作时它能发射高速电子撞击荧光屏，就能发光。一束电子打在荧光屏上只能使一个点发光，要使整个荧光屏发光，就要靠磁场来使电子束偏转了。
1.要使电子束在水平方向偏离中心，打在荧光屏上的A点，偏转磁场应该沿什么方向？
2.要使电子束打在B点，磁场应该沿什么方向？
3.要使电子束打在荧光屏上的位置由B点逐渐
向A点移动，偏转磁场应该怎样变化？
从图中可以看出，没有磁场时电子束打在荧光屏正中的O点。为使电子束偏转，由安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场。
垂直纸面向里
垂直纸面向外
先垂直纸面向外并逐渐减小,后垂直纸面向里并逐渐增大.
在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成份。我们能否利用所学的知识，来设计一个方案，如何分离不同比荷的带电粒子？
2.质谱仪
19世纪末，弗朗西斯·威廉·阿斯顿按照这样的想法设计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20 和氖-22，证实了同位素的存在。后来经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是科学研究和工业生产中的重要工具。
弗朗西斯·威廉·阿斯顿
Francis William Aston
2.质谱仪
电离室
加速电场
偏转磁场
照相底片
速度选择器
1.电离室：使气体电离，产生带电粒子
2.加速电场：使带电粒子获得速度
3.粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场
4.偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
5.照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
质谱仪的构成:
2.质谱仪
加速电场U1：
偏转磁场B：
偏转的距离为x
电离室
加速电场
照相底片
2.质谱仪
2.质谱仪
在粒子物理学的研究中，经常需要高能粒子做“炮弹”去轰击未知原子，以便“打开”其内部结构。那如何才能获得需要的高能粒子呢？
3.回旋加速器
静电力对带电粒子做正功，粒子的动能会增加，即 ,电压
越高粒子增加的动能越大。该如何产生高压？
直线加速器
3.回旋加速器
北京正负电子对撞机
202米
如何设计一种既能实现多次加速，又可以减少占地空间的加速器呢？
欧洲强子对撞磁场加速器
27公里
3.回旋加速器
1929年，美国物理学家劳伦斯发明回旋加速器，1932年建成世界第一台回旋加速器。
回旋加速器的构成:
（1）D形金属盒
（2）交变电场
（3）偏转磁场
3.回旋加速器
3.回旋加速器
(1)问题：回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？
磁场的作用是使带电粒子回旋，电场的作用是使带电粒子加速。
接高频
电源
狭缝
原理图
粒子源
(2)问题：使用前几章的静电场可以吗？
需要使用交变电场
3.回旋加速器
带电粒子在磁场中运行的周期
粒子每次运动半圈，电场方向要改变一次
接高频
电源
狭缝
原理图
粒子源
与粒子速度大小无关
(3)对交变电场的周期有什么要求？
3.回旋加速器
（4)带电粒子获得的最大速度
(5)带电粒子获得的最大动能
由 得粒子获得的最大速度:
3.回旋加速器
(6)带电粒子在回旋加速器中加速的次数？
(n带电粒子加速的次数)
粒子加速次数：
3.回旋加速器
(7)带电粒子在回旋加速器磁场中运动时间是多少？(总时间)
粒子一个周期内被加速两次
粒子加速次数：
粒子在磁场中运动的时间：
3.回旋加速器
1.如图所示，质量为m、电荷量为q的粒子，从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为0，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上。则粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径为（　　）
A． B．
C． D．
D
2、质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为＋e的正电子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做半径为R的匀速圆周运动。求：
（1）粒子射出加速器时的速度v为多少？
（2）速度选择器的电压U2为多少？
（3）粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？
（1）在a 中，e 被加速电场U1加速，由动能定理有
，得
（2）在b 中，e 受的电场力和洛伦兹力大小相等，即
，代入v 值得
（3）在c中，e受洛伦兹力作用而做圆周运动，回转半径
，代入v 值得
2. 质谱仪
3. 回旋加速器
由：
得：
1.条件：
2.粒子能量：
显像管
1.利用磁场控制带电粒子运动

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