3.6带电粒子在匀强磁场中的运动.ppt

,3.6带电粒子在匀强磁场中的运动,复习,1、洛伦兹力的概念：运动电荷在磁场中受到的作用力。通电导线在磁场中所受到的安培力是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现。2、洛伦兹力的方向由左手定则判定1、正电荷的运动方向与电流方向相同，负电荷运动方向与电流方向相反。2、洛伦兹力垂直于与所在的平面,3、洛伦兹力的大小1.当电荷运动方向与磁场方向垂直（vB）时，f=qvB.2.当电荷的运动方向与磁场方向平行（v/B)时，电荷不受洛伦兹力.4、洛伦兹力对运动电荷不做功5、区分带电粒子在电场和在磁场中受力情况不同带电粒子置于电场中必受电场力，与运动状态无关，但在磁场中洛伦兹力的大小和方向与运动状态有关,问题1在不计重力的情况下，带电粒子平行电场方向进入匀强电场时会做什么运动呢？,E,问题2在不计重力的情况下，带电粒子平行磁场方向进入匀强磁场时会做什么运动呢？,B,问题3在仅受电场力的情况下，带电粒子垂直电场方向进入匀强电场时会做什么运动呢？,+,问题4在仅受磁场力的情况下，带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时会做什么运动呢？,？,类平抛运动,匀速圆周运动,所以：带电粒子将在垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动，洛伦兹力来提供向心力。,fv，f大小不变，f永远不做功,理论推导：,1、物体做匀速圆周运动的条件？,2、洛伦兹力的特点？,电子射线管,洛伦兹力演示仪,线圈未通电时，B=0,线圈通电时，B0方向垂直线圈平面向里,实验演示,一、带电粒子在匀强磁场中的运动,1、带电粒子平行射入匀强磁场的运动状态？（重力不计）匀速直线运动,2、带电粒子垂直射入匀强磁场的运动状态？（重力不计）匀速圆周运动,练一练,【1】电子、质子、氘核、氚核以同样的速度垂直射入同一匀强磁场做匀速圆周运动，其中轨道半径最大的是（）A电子B质子C氘核D氚核,分析：根据，由于四个粒子的电量是相等的，而氚核的质量最大，所以半径最大。,D,【2】同一种带电粒子以不同的速度垂直射入匀强磁场中，其运动轨迹如图所示，则可知（1）带电粒子进入磁场的速度值有几个？（2）这些速度的大小关系为（3）三束粒子从O点出发分别到达1、2、3点所用时间关系为,3个,V3V2V1,t1=t2=t3,3、带电粒子做圆周运动的分析方法,3、带电粒子做圆周运动的分析方法,（1）几个有关的角及其关系：,3、带电粒子做圆周运动的分析方法,（2）确定圆心：已知入射方向和出射方向,与速度垂直的半径交点就是圆弧轨道的圆心。已知入射方向和出射点的位置时，半径与弦中垂线的交点就是圆弧轨道的圆心。,3、带电粒子做圆周运动的分析方法,（3）确定半径：一般利用几何知识，常用解三角形的方法。（4）确定运动时间：利用圆心角与弦切角的关系，或者是四边形内角和等于计算出圆心角的大小，由公式可求出运动时间。,【3】如图所示，一束电子（电量为e)以速度V垂直射入磁感应强度为B、宽度为d的匀强磁场，穿透磁场时的速度与电子原来的入射方向的夹角为300。求:(1)电子的质量m=?(2)电子在磁场中的运动时间t=?,【4】如图所示，在半径为R的圆的范围内，有匀强磁场，方向垂直圆所在平面向里一带负电的质量为m电量为q粒子，从A点沿半径AO的方向射入，并从C点射出磁场AOC120o则此粒子在磁场中运行的时间t_(不计重力),例题：一个质量为m、电荷量为的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为的加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为的匀强磁场中，最后打到照相底片上求：（）求粒子进入磁场时的速率（）求粒子在磁场中运动的轨道半径,解答：,二、实际应用,加速电场：使带电粒子加速v=,偏转磁场区：使带电粒子轨迹发生偏转，并被拍照,偏转半径r=mv/qB=,1、质谱仪：精密测量带电粒子质量和分析同位素（测荷质比）的仪器。,发明者：阿斯顿（汤姆生的学生）,【练习】质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图，离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看作为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x，可以判断(),A、若离子束是同位素，则x越大，离子质量越大B、若离子束是同位素，则x越大，离子质量越小C、只要x相同，则离子质量一定相同D、只要x相同，则离子的荷质比一定相同,AD,背景材料,学科方向粒子加速器是一门多专业的综合性学科，它涉及到加速器物理和许多高技术领域，其中包括射频、电磁场、电源、超高真空、精密机械、电子学、计算机及网络、自动控制、束流诊断、辐射防护、低温超导，等等。粒子加速器不仅是进行高能物理、原子物理、生命科学、材料科学等多种基础科学研究的重要实验装置，而且在工农业生产、医疗、辐照和国防建设等方面也有广泛的应用前景。,粒子加速器,1加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，qU=Ek,2直线加速器，多级加速如图所示是多级加速装置的原理图：,直线加速器,由动能定理得带电粒子经n极的电场加速后增加的动能为：,3直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制,2、回旋加速器,（1）作用：产生高速运动的粒子,（2）原理,1）、两D形盒中有匀强磁场无电场，盒间缝隙有交变电场。,2）、交变电场的周期等于粒子做匀速圆周运动的周期。,3）、粒子最后出加速器的速度大小由盒的半径决定。,二、实际应用,为什么带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关？,解析：加速电压越高，带电粒子每次加速的动能增量越大，回旋半径也增加越多，导致带电粒子在D形盒中的回旋次数越少；反之，加速电压越低，粒子在D形盒中回旋的次数越多，可见加速电压的高低只影响带电粒子加速的总次数，并不影响引出时的速度和相应的动能，当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由r=mv/qB得v=rqB/m，若D形盒的半径为R，则带电粒子的最终动能：,可知，增强B和增大R可提高加速粒子的最终能量，与加速电压高低无关,【练习】关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正确的是()A、电场和磁场都对带电粒子起加速作用B、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的C、只有电场能对带电粒子起加速作用D、磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动,CD,本课小结：,一、带电粒子在匀强磁场中的运动,平行磁感线进入：做匀速直线运动,垂直磁感线进入：做匀速圆周运动,二、应用：1、质谱仪：研究同位素（测荷质比）的装置,由加速电场、偏转磁场等组成,2、回旋加速器：使带电粒子获得高能量的装置,由D形盒、高频交变电场等组成,【课后作业】名师一号P108-P109习题。,思考在仅受电场力的情况下，带电粒子与电场方向成角进入匀强电场时会做什么运动呢？,E,思考在仅受磁场力的情况下，带电粒子与磁场方向成角进入匀强磁场时会做什么运动呢？,B,匀变速曲线运动,等距螺旋运动,处理方法：运动的合成与分解,【思考】一带电粒子沿垂直于磁场方向运动，它的一段径迹如下图所示。径迹上的每一小段都可视为圆弧，由于带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能量逐渐减小（带电