【创新设计】2014-2015学年高中物理 3.4 磁场对运动电荷的作用洛伦兹力每课一练 教科版选修3-1

《磁场对运动电荷的作用——洛伦兹力》这一知识点主要涉及高中物理中带电粒子在磁场中的运动，包括洛伦兹力的概念及其对粒子运动轨迹的影响。洛伦兹力是运动电荷在磁场中受到的力，公式为 F = q(v × B)，其中 F 是洛伦兹力，q 是电荷量，v 是速度，B 是磁感应强度。这个力总是垂直于粒子的运动速度和磁场方向。 1. **带电粒子在有界磁场中的运动**：如问题1所示，粒子在磁场中做匀速圆周运动，圆周运动的时间 t 与圆心角 θ 和周期 T 有关，即 t = θ / 2πT。在没有足够的信息确定周期的情况下，可以通过圆周运动的其他性质来推导时间，如圆周的弧长与半径的关系。 2. **质谱仪的原理**：质谱仪是一种测量粒子质量的设备，如问题2所示，它利用电场和磁场的组合来选择特定速度的粒子。通过速度选择器后，粒子在磁场中做圆周运动，根据半径 r = mv / qB 可以推算粒子的质量 m。 3. **回旋加速器的原理**：回旋加速器是加速带电粒子的装置，如问题3所述，粒子在电场中加速并在磁场中改变方向。粒子的最大动能与其在磁场中的运动半径 R 和磁感应强度 B 直接相关，即 E_k = (mv^2)/2 = qvB/2m = qBR^2/2m。因此，增大磁感应强度或加速器半径可以增加粒子的动能。 4. **带电粒子在有界磁场中的不同行为**：问题1和问题2的解答表明，具有相同比荷（电荷量与质量之比）但速度不同的粒子，它们在磁场中的轨迹可能不同，具体取决于初始速度和磁场的性质。粒子在磁场中的运动时间取决于其路径所对应的圆心角和周期，而不是仅由速度决定。 这些题目和解答揭示了物理学中基本的电磁学概念，特别是在处理带电粒子在磁场中的动力学问题时，洛伦兹力起着核心作用。通过解决这些问题，学生可以深入理解洛伦兹力如何影响粒子的运动，以及如何利用这种知识设计和分析实验设备，如质谱仪和回旋加速器。在实际应用中，这些原理被广泛用于粒子物理学、核医学成像、材料科学等领域。