2022年高中物理 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)學(xué)案新人教版選修3-1

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1、2022年高中物理 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)學(xué)案新人教版選修3-1 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1．理解帶電粒子的初速度方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直時(shí)，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。 2．會(huì)推導(dǎo)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑、周期公式，知道它們與哪些因素有關(guān)，并會(huì)應(yīng)用它們解答有關(guān)問(wèn)題。 3．知道質(zhì)譜儀與回旋加速器的工作原理 【學(xué)習(xí)重點(diǎn)】 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑和周期公式，并能用來(lái)分析有關(guān)問(wèn)題。 【學(xué)習(xí)難點(diǎn)】 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的受力分析及運(yùn)動(dòng)徑跡。 【問(wèn)題導(dǎo)學(xué)】 目標(biāo)一：帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 1．帶電粒子平行射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，將如何運(yùn)動(dòng)？

2、 2．帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，將如何運(yùn)動(dòng)？ （1）粒子所受磁場(chǎng)力與運(yùn)動(dòng)速度的特點(diǎn)： （2）粒子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)： 3．帶電粒子與磁場(chǎng)方向有一夾角（0°,90°,180°除外）射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，將如何運(yùn)動(dòng)？ 目標(biāo)二: 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑 1．帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力。 2．圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑: 3．質(zhì)譜儀: 通過(guò)測(cè)出粒子圓周運(yùn)動(dòng)的半徑，計(jì)算粒子的比荷或質(zhì)量及分析同位素的儀器. 例1、一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子，從容器下方的 小孔S1飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng)，其初速度幾乎為零， 然后經(jīng)

3、過(guò)S3沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打到照相底片D上。 （1）求粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率。 （2）求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。 目標(biāo)三: 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期 1．圓周運(yùn)動(dòng)的周期: 2．回旋加速器: （1）直線加速器 ①加速原理：利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正功使帶電粒子的動(dòng)能增加，qU=DEk． ②直線加速器，多級(jí)加速如圖所示是多級(jí)加速裝置的原理圖 ③困難：技術(shù)上不能產(chǎn)生過(guò)高電壓；加速設(shè)備長(zhǎng)。 （2）回旋加速器： ①解決上述困難的一途徑是把加速電場(chǎng)“卷起來(lái)”，用磁場(chǎng)控制軌跡，用電場(chǎng)進(jìn)行加速。 ②結(jié)構(gòu)：兩個(gè)D形盒及兩個(gè)

4、大磁極，D形盒間的窄縫，高頻交流電 ③原理： 電場(chǎng)使粒子加速，磁場(chǎng)使粒子回旋。 ④粒子被加速后，運(yùn)動(dòng)速率和運(yùn)動(dòng)半徑都會(huì)增加，它的運(yùn)動(dòng)周期會(huì)增加嗎? ⑤對(duì)D形盒窄縫間的交流電壓的周期有什么要求？ ⑥回旋加速器加速的帶電粒子的最終能量由哪些因素決定? 例2、關(guān)于回旋加速器的工作原理，下列說(shuō)法正確的是：（ ） A、電場(chǎng)用來(lái)加速帶電粒子，磁場(chǎng)則使帶電粒子回旋 B、電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)用來(lái)加速帶電粒子 C、同一加速器，對(duì)某種確定的粒子，它獲得的最大動(dòng)能由加速電壓決定 D、為了是粒子不斷獲得加速，粒子圓周運(yùn)動(dòng)的周期等于交流電的半周期 基礎(chǔ)題（一看就懂，一做就會(huì)

5、） 1.關(guān)于帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，下列說(shuō)法正確的是（ ） A、帶電粒子飛入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后，一定做勻速圓周運(yùn)動(dòng) B、帶電粒子飛入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度一定不變 C、帶電粒子飛入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，洛侖茲力的方向總和運(yùn)動(dòng)方向垂直 D、帶電粒子飛入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)能一定保持不變 2.質(zhì)子和α粒子在同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做半徑相同的圓周運(yùn)動(dòng)，由此可知，質(zhì)子的動(dòng)能E1和α粒子的動(dòng)能E2之比E1：E2等于（ ） A、4：1 B、1：1 C、1：2 D、2：1 3. 帶電粒子以相同的速度分別垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，它將（

6、 ） A、在勻強(qiáng)電場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng) B、在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做變加速曲線運(yùn)動(dòng) C、在勻強(qiáng)電場(chǎng)中做拋物線運(yùn)動(dòng) D、在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做拋物線運(yùn)動(dòng) 4. 在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，一個(gè)帶電粒子作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如果又順利垂直進(jìn)入另一磁感應(yīng)強(qiáng)度是原來(lái)磁感應(yīng)強(qiáng)度2倍的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則（ ） A．粒子的速率加倍，周期減半 B．粒子的速率加倍，軌道半徑減半 C．粒子的速率減半，軌道半徑變?yōu)樵瓉?lái)的1/4 D．粒子的速率不變，周期減半 5.如圖所示，在垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有a、b兩個(gè)電子從同一處沿垂直磁感線方向開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，a的初速度為v，b的初速度為2v．則（

7、 ）　 A．a(chǎn)先回到出發(fā)點(diǎn) 　　B．b先回到出發(fā)點(diǎn) C．a(chǎn)、b的軌跡是一對(duì)內(nèi)切圓，且b的半徑大 　 D．a(chǎn)、b的軌跡是一對(duì)外切圓，且b的半徑大 6.質(zhì)譜儀是一種測(cè)定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具，它的構(gòu)造原理如圖，離子源S產(chǎn)生的各種不同正離子束(速度可看作為零)，經(jīng)加速電場(chǎng)加速后垂直進(jìn)入有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)，到達(dá)記錄它的照相底片P上，設(shè)離子在P上的位置到入口處S1的距離為x，可以判斷（ ） A、若離子束是同位素，則x越大，離子質(zhì)量越大 B、若離子束是同位素，則x越大，離子質(zhì)量越小 C、只要x相同，則離子質(zhì)量一定相同 D、只要x相同，則離子的荷質(zhì)比一定相同 7.

8、 回旋加速器中磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，D形盒的直徑為d，用該回旋加速器加速質(zhì)量為m、電量為q的粒子，設(shè)粒子加速前的初速度為零。求： （1）粒子的回轉(zhuǎn)周期是多大？ （2）高頻電極的周期為多大？ （3）粒子的最大速度最大動(dòng)能各是多大？ （4）粒子在同一個(gè)D形盒中相鄰兩條軌道半徑之比 達(dá)標(biāo)題（跳起來(lái)，摘下豐收果） 8. 一個(gè)帶電粒子,沿垂直于磁場(chǎng)的方向射入一勻強(qiáng)磁場(chǎng),粒 子的一段徑跡如圖所示,徑跡上的每小段都可以近似看成圓 弧,由于帶電粒子使沿途空氣電離,粒子的能量逐漸減小 (帶電荷量不變),從圖中情況可以確定（ ） A．粒子從a到b,帶正電 B．粒子從b到a,帶正電

9、 C．粒子從a到b.帶負(fù)電 D．粒子從b到a,帶負(fù)電 9. 如圖所示，勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一個(gè)帶電量為q的正離子，自a點(diǎn)沿箭頭方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它沿圓軌道運(yùn)動(dòng)到b點(diǎn)時(shí)，突然吸收了附近的若干個(gè)電子，接著沿另一圓軌道運(yùn)動(dòng)到與a、b在一條直線上的c點(diǎn)，已知ac=ab/2.電子電量為e，由此可知，正離子吸收的電子個(gè)數(shù)為（ ） A． B． C． D． 10.如圖所示，一質(zhì)量為m，電荷量為q的粒子從容器A下方小孔 S1飄入電勢(shì)差為U=800V的加速電場(chǎng)，然后經(jīng)過(guò)S3沿著與磁場(chǎng) 垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=0.40T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打到 底片D上.測(cè)得粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道

10、半徑為r=5cm。求帶電粒 子的比荷是多少？ 11.一個(gè)帶負(fù)電粒子（質(zhì)量為m，帶電量為q），以速率v在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做逆時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng)（沿著紙面），則該勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向?yàn)榇怪庇诩埫嫦蚶镞€是向外？粒子運(yùn)轉(zhuǎn)所形成的環(huán)形電流的大小為多大？ 拓展題（勇往直前，試一試） 12. 如圖所示，帶電粒子進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，垂直穿過(guò)均勻鋁板，如果R1=20cm，R2=19cm，求帶電粒子能穿過(guò)鋁板多少次。（設(shè)鋁板對(duì)粒子的阻力恒定，粒子的電量不變） 13. 有一回旋加速器，他的交變電壓的頻率為 12×106Hz ，半圓形電極的半徑為0.532m。問(wèn)加速氘核所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度為多大？氘核所能達(dá)到的最大動(dòng)能為多大？其最大速率有多大？（已知氘核的質(zhì)量為3.3×10-27kg,電荷量為1.6 ×10-19C）.