第3节 洛伦兹力的应用
[学习目标] 1.理解洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小，对带电粒子不做功。(物理观念)2.知道垂直射入匀强磁场的带电粒子将做匀速圆周运动。(物理观念)3.会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期公式，并会应用它们解决问题。(科学思维)4.知道质谱仪、回旋加速器的基本构造和原理，知道其在生产、生活中的应用。(科学态度与责任)
一、带电粒子在磁场中的运动
1．用洛伦兹力演示仪显示电子的运动轨迹
(1)当没有磁场作用时，电子的运动轨迹为直线。
(2)当电子垂直射入匀强磁场中时，电子的运动轨迹为一个圆，所需要的向心力是由洛伦兹力提供的。
(3)当电子斜射入匀强磁场中时，电子的运动轨迹是一条螺旋线。
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。
(3)半径：r＝。
(4)周期：T＝，由周期公式可知带电粒子的运动周期与粒子的质量成正比，与电荷量和磁感应强度成反比，而与运动半径和运动速率无关。
二、回旋加速器和质谱仪
1．回旋加速器
(1)主要构造：两个半圆形中空铜盒，两个大型电磁铁。
(2)工作原理(如图所示)
①磁场作用：带电粒子垂直磁场方向射入磁场时，只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期与半径和速率无关。
②交变电压的作用：在两D形盒狭缝间产生周期性变化的电场，使带电粒子每经过一次狭缝加速一次。
③交变电压的周期(或频率)：与带电粒子在磁场中做圆周运动的周期(或频率)相同。
2．质谱仪
(1)功能：分析各化学元素的同位素并测量其质量、含量。
(2)工作原理(如图所示)
带电粒子在电场中加速：Uq＝mv2①
带电粒子在磁场中偏转距离为：x＝2r②
在磁场中，轨道半径为：
r＝③
由①②③得带电粒子的比荷：＝。
由此可知，带电离子的比荷与偏转距离x的平方成反比，凡是比荷不相等的离子都被分开，并按比荷顺序的大小排列，故称之为质谱。
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)带电粒子进入磁场一定做匀速圆周运动。 (×)
[提示] 带电粒子平行磁场进入时，做匀速直线运动。
(2)匀强磁场中，同一带电粒子垂直磁场方向的速度越大，圆周运动半径越大。 (√)
(3)匀强磁场中带电粒子垂直磁场方向的速度越大，粒子在磁场中做圆周运动的周期越小。 (×)
[提示] 带电粒子在磁场中运动的周期与速度无关。
(4)回旋加速器中的交流电源U越大，则粒子的最终速度越大。 (×)
[提示] 回旋加速器的最终速度取决于D形盒的半径。
(5)回旋加速器中交变电压周期等于带电粒子在磁场中的运动周期。 (√)
