带电粒子在圆磁场中的运动PPT学习教案

1、会计学1 带电粒子在圆磁场中的运动带电粒子在圆磁场中的运动 例例1 1 电视机的显像管中，电子束的偏转是用磁偏转技电视机的显像管中，电子束的偏转是用磁偏转技 术实现的。电子束经过电压为术实现的。电子束经过电压为U U的加速电场后，进入的加速电场后，进入 一圆形匀强磁场区，如图所示。磁场方向垂直于圆面一圆形匀强磁场区，如图所示。磁场方向垂直于圆面 。磁场区的中心为。磁场区的中心为O O，半径为，半径为r r。当不加磁场时，电子。当不加磁场时，电子 束将通过束将通过O O点而打到屏幕的中心点而打到屏幕的中心M M点。为了让电子束射点。为了让电子束射 到屏幕边缘到屏幕边缘P P，需要加磁场，使电子束

2、偏转一已知角，需要加磁场，使电子束偏转一已知角 度度，此时磁场的磁感应强度，此时磁场的磁感应强度B B应为多少？应为多少？ 第1页/共47页 例例2 2：在圆形区域的匀强磁场的磁感应强度为在圆形区域的匀强磁场的磁感应强度为B B，一，一 群速率不同的质子自群速率不同的质子自A A点沿半径方向射入磁场区域点沿半径方向射入磁场区域 ，如图所示，已知该质子束中在磁场中发生偏转的，如图所示，已知该质子束中在磁场中发生偏转的 最大角度为最大角度为1061060 0，圆形磁场的区域的半径为，圆形磁场的区域的半径为R R，质，质 子的质量为子的质量为m m，电量为，电量为e e，不计重力，则该质子束的，不计

3、重力，则该质子束的 速率范围是多大？速率范围是多大？ 3 4 BeR v m O1 O2 O3 O4 “让圆动起来让圆动起来” 结论结论2：对准圆心射入，速度越大，偏转角和圆：对准圆心射入，速度越大，偏转角和圆 心角都越小，运动时间越短。心角都越小，运动时间越短。 第2页/共47页 例例3 3 在真空中，半径在真空中，半径r r3 31010 2 2 m m的圆形区域内的圆形区域内 有匀强磁场，方向如图有匀强磁场，方向如图2 2所示，磁感应强度所示，磁感应强度B B0.2 0.2 T T，一个带正电的粒子以初速度，一个带正电的粒子以初速度v v0 01 110106 6 m/s m/s从磁从磁

4、 场边界上直径场边界上直径abab的一端的一端a a射入磁场，已知该粒子的射入磁场，已知该粒子的 比荷比荷 q/m q/m 1 110108 8 C/kg C/kg，不计粒子重力，不计粒子重力 (1)(1)求粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径；求粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径； (2)(2)若要使粒子飞离磁场时有最大偏转角，求入若要使粒子飞离磁场时有最大偏转角，求入 射时射时v v0 0与与abab的夹角的夹角及粒子的最大偏转角及粒子的最大偏转角 (1)R510 2 m. (2)37o 74o 第3页/共47页 结论结论3 3：运动速度：运动速度v v相同相同, ,方向不同，弧长越长方向不同，

5、弧长越长 对应时间越长对应时间越长。( (直径对应的弧最长直径对应的弧最长) ) 第4页/共47页 第5页/共47页 222 2 0 22 1 2()(1) 422 m vr Sr e B 设设P(x，y)为磁场下边界上的一为磁场下边界上的一 点，经过该点的电子初速度与点，经过该点的电子初速度与x轴轴 夹角为夹角为 ，则由图可知：，则由图可知： x = rsin ， y = rrcos ， 得得: x2 + (yr)2 = r2。 所以磁场区域的下边界也是半径为所以磁场区域的下边界也是半径为r，圆心为，圆心为(0，r) 的圆弧应是磁场区域的下边界。的圆弧应是磁场区域的下边界。 磁场上边界如图线

6、磁场上边界如图线1所示。所示。 两边界之间图形的面积即为所求。两边界之间图形的面积即为所求。图中的阴影区域面图中的阴影区域面 积，即为磁场区域面积：积，即为磁场区域面积： 第6页/共47页 所有电子的轨迹圆半径相等，且均所有电子的轨迹圆半径相等，且均 过过O点。这些轨迹圆的圆心都在以点。这些轨迹圆的圆心都在以O为为 圆心，半径为圆心，半径为r的且位于第的且位于第象限的四象限的四 分之一圆周上，如图所示。分之一圆周上，如图所示。 电子由电子由O点射入第点射入第象限做匀象限做匀 速圆周运动速圆周运动 2 00 0 vmv ev Bm r= reB 222 0 11 2()(1)() 422 mv

7、Srr eB min 即所有出射点均在以坐标即所有出射点均在以坐标(0，r)为圆心的圆弧为圆心的圆弧abO上，显然上，显然 ，磁场分布的最小面积，磁场分布的最小面积应是实线应是实线1和圆弧和圆弧abO所围的面积，由所围的面积，由 几何关系得几何关系得 由图可知，由图可知，a、b、c、d 等点就是各电等点就是各电 子离开磁场的出射点，均应满足方程子离开磁场的出射点，均应满足方程 x2 + (ry)2=r2。 第7页/共47页 结论结论1：对准圆心射入：对准圆心射入,必定沿着圆心射出必定沿着圆心射出 带电粒子带电粒子在圆形磁场中运动在圆形磁场中运动的四个结论的四个结论 结论结论3 3：运动半径相同

8、：运动半径相同(v(v相同相同) )时，弧长越长对时，弧长越长对 应时间越长应时间越长。 结论结论2：对准圆心射入，速度越大，偏转角和圆：对准圆心射入，速度越大，偏转角和圆 心角都越小，运动时间越短。心角都越小，运动时间越短。 结论结论4 4：磁场圆的半径与轨迹圆的半径相同时：磁场圆的半径与轨迹圆的半径相同时, , “磁会聚磁会聚”与与“磁扩散磁扩散” 第8页/共47页 R r r 迁移与逆向、对称的物理思想！迁移与逆向、对称的物理思想！ 第9页/共47页 第10页/共47页 x y R O/ O v 带点微粒发射带点微粒发射 装置装置 C P Q r 图图 (c) 第11页/共47页 例例3

9、可控热核聚变反应堆产生能的方式和可控热核聚变反应堆产生能的方式和 太阳类似，因此，它被俗称为太阳类似，因此，它被俗称为“人造太阳人造太阳” 热核反应的发生，需要几千万度以上的高温，热核反应的发生，需要几千万度以上的高温， 然而反应中的大量带电粒子没有通常意义上然而反应中的大量带电粒子没有通常意义上 的容器可装人类正在积极探索各种约束装置，的容器可装人类正在积极探索各种约束装置， 磁约束托卡马克装置就是其中一种如图磁约束托卡马克装置就是其中一种如图15所示为该装置的简化模所示为该装置的简化模 型有一个圆环形区域，区域内有垂直纸面向里的匀强磁场，已知型有一个圆环形区域，区域内有垂直纸面向里的匀强磁

10、场，已知 其截面内半径为其截面内半径为R11.0 m，磁感应强度为，磁感应强度为B1.0 T，被约束粒子被约束粒子 的比荷为的比荷为q/m4.0107 C/kg ，该带电粒子从中空区域与磁场交界该带电粒子从中空区域与磁场交界 面的面的P P点以速度点以速度v v0 04.04.010107 7 m/s m/s沿环的半径方向射入磁场沿环的半径方向射入磁场( (不计带不计带 电粒子在运动过程中的相互作用，不计带电粒子的重力电粒子在运动过程中的相互作用，不计带电粒子的重力) ) (1)(1)为约束该粒子不穿越磁场外边界，求磁场区域的最小外半径为约束该粒子不穿越磁场外边界，求磁场区域的最小外半径R R

11、2 2 (2)(2)若改变该粒子的入射速度若改变该粒子的入射速度v v，使，使v v v v0 0，求该粒子从求该粒子从P P点进入磁点进入磁 场开始到第一次回到场开始到第一次回到P P点所需要的时间点所需要的时间t t. . 3 3 第12页/共47页 甲甲 乙乙 第13页/共47页 A带电粒子在磁场中飞行的时间不可能相同带电粒子在磁场中飞行的时间不可能相同 B从从M点射入的带电粒子可能先飞出磁场点射入的带电粒子可能先飞出磁场 C从从N点射入的带电粒子可能先飞出磁场点射入的带电粒子可能先飞出磁场 D从从N点射入的带电粒子可能比点射入的带电粒子可能比M点射入的点射入的 带电粒子先飞出磁场带电粒

12、子先飞出磁场 第14页/共47页 第15页/共47页 3如右图所示，纸面内有宽为如右图所示，纸面内有宽为L水平向右飞行的带电水平向右飞行的带电 粒子流，粒子质量为粒子流，粒子质量为m，电荷量为，电荷量为q，速率为，速率为v0，不，不 考虑粒子的重力及相互间的作用，要使粒子都汇聚到考虑粒子的重力及相互间的作用，要使粒子都汇聚到 一点，可以在粒子流的右侧虚线框内设计一匀强磁场一点，可以在粒子流的右侧虚线框内设计一匀强磁场 区域，则磁场区域的形状及对应的磁感应强度可以是区域，则磁场区域的形状及对应的磁感应强度可以是 (其中其中 ，A、C、D选项中曲线均为半径是选项中曲线均为半径是L的的 1/4圆弧，

13、圆弧，B选项中曲线为半径是选项中曲线为半径是L/2的圆的圆)() 0 B 0 mv qL A 第16页/共47页 第17页/共47页 第18页/共47页 五、正方形磁场五、正方形磁场 1.1. 如图所示，正方形区域如图所示，正方形区域abcdabcd中充满匀强磁场，磁场方向中充满匀强磁场，磁场方向 垂直纸面向里。一个氢核从垂直纸面向里。一个氢核从adad边的中点边的中点m m沿着既垂直于沿着既垂直于adad 边又垂直于磁场的方向，以一定速度射入磁场，正好从边又垂直于磁场的方向，以一定速度射入磁场，正好从 abab边中点边中点n n射出磁场。现将磁场的磁感应强度变为原来的射出磁场。现将磁场的磁感

14、应强度变为原来的 2 2倍，其他条件不变，则这个氢核射出磁场的位置是倍，其他条件不变，则这个氢核射出磁场的位置是 A A在在b b、n n之间某点之间某点 B.B.在在n n、a a之间某点之间某点 C C在在a a点点 D.D.在在a a、m m之间某点之间某点 a b cd m n B v c 第19页/共47页 A带电粒子在磁场中飞行的时间不可能相同带电粒子在磁场中飞行的时间不可能相同 B从从M点射入的带电粒子可能先飞出磁场点射入的带电粒子可能先飞出磁场 C从从N点射入的带电粒子可能先飞出磁场点射入的带电粒子可能先飞出磁场 D从从N点射入的带电粒子可能比点射入的带电粒子可能比M点射入的点

15、射入的 带电粒子先飞出磁场带电粒子先飞出磁场 第20页/共47页 第21页/共47页 五、正方形磁场五、正方形磁场 1.1. 如图所示，正方形区域如图所示，正方形区域abcdabcd中充满匀强磁场，磁场方向中充满匀强磁场，磁场方向 垂直纸面向里。一个氢核从垂直纸面向里。一个氢核从adad边的中点边的中点m m沿着既垂直于沿着既垂直于adad 边又垂直于磁场的方向，以一定速度射入磁场，正好从边又垂直于磁场的方向，以一定速度射入磁场，正好从 abab边中点边中点n n射出磁场。现将磁场的磁感应强度变为原来的射出磁场。现将磁场的磁感应强度变为原来的 2 2倍，其他条件不变，则这个氢核射出磁场的位置是

16、倍，其他条件不变，则这个氢核射出磁场的位置是 A A在在b b、n n之间某点之间某点 B.B.在在n n、a a之间某点之间某点 C C在在a a点点 D.D.在在a a、m m之间某点之间某点 a b cd m n B v c 第22页/共47页 A带电粒子在磁场中飞行的时间不可能相同带电粒子在磁场中飞行的时间不可能相同 B从从M点射入的带电粒子可能先飞出磁场点射入的带电粒子可能先飞出磁场 C从从N点射入的带电粒子可能先飞出磁场点射入的带电粒子可能先飞出磁场 D从从N点射入的带电粒子可能比点射入的带电粒子可能比M点射入的点射入的 带电粒子先飞出磁场带电粒子先飞出磁场 第23页/共47页 第

17、24页/共47页 第25页/共47页 第26页/共47页 第27页/共47页 第28页/共47页 磁会聚磁会聚 平行飞入，定点会聚平行飞入，定点会聚 第29页/共47页 磁扩聚磁扩聚 定点发射，平行飞出定点发射，平行飞出 第30页/共47页 例：（例：（0909年浙江，年浙江，2525）如图）如图6 6所示，所示，x x轴正方向水平向轴正方向水平向 右，右，y y轴正方向竖直向上。在轴正方向竖直向上。在xOyxOy平面内有与平面内有与y y轴平行的轴平行的 匀强电场，在半径为匀强电场，在半径为R R的圆内还有与的圆内还有与xOyxOy平面垂直的匀平面垂直的匀 强磁场。在圆的左边放置一带电微粒发

18、射装置，它沿强磁场。在圆的左边放置一带电微粒发射装置，它沿x x 轴正方向发射出一束具有相同质量轴正方向发射出一束具有相同质量m m、电荷量、电荷量q q（q0q0） 和初速度和初速度v v的带电微粒。发射时，这束带电微粒分布在的带电微粒。发射时，这束带电微粒分布在 0y2R0y0)(x0)的区域离开磁场并做的区域离开磁场并做 匀速直线运动，如图匀速直线运动，如图7 7所示。靠近所示。靠近M M点发射出来的带电点发射出来的带电 微粒在突出磁场后会射向微粒在突出磁场后会射向x x同正方向的无穷远处；靠同正方向的无穷远处；靠 近近N N点发射出来的带电微粒会在靠近原点之处穿出磁点发射出来的带电微粒

19、会在靠近原点之处穿出磁 场。所以，这束带电微粒与场。所以，这束带电微粒与x x同相交的区域范围是同相交的区域范围是 x0.x0. M N 第33页/共47页 第34页/共47页 3）圆形磁场区域）圆形磁场区域 【例例】在以坐标原点在以坐标原点O O为圆心、半径为为圆心、半径为r r的圆形区域内的圆形区域内, , 存在磁感应强度大小为存在磁感应强度大小为B B、方向垂直于纸面向里的匀强、方向垂直于纸面向里的匀强 磁场磁场, ,如图如图4 4所示所示. .一个不计重力的带电粒子从磁场边界一个不计重力的带电粒子从磁场边界 与与x x轴的交点轴的交点A A处以速度处以速度v v沿沿-x-x方向射入磁场

20、方向射入磁场, ,它恰好从它恰好从 磁场边界与磁场边界与y y轴的交点轴的交点C C处沿处沿+y+y方向飞出方向飞出. . （1 1）请判断该粒子带何种电荷）请判断该粒子带何种电荷, ,并求出其比荷并求出其比荷 . . （2 2）若磁场的方向和所在空间范围不变）若磁场的方向和所在空间范围不变, ,而磁感应强而磁感应强 度的大小变为度的大小变为B,B,该粒子仍从该粒子仍从A A处以处以 相同的速度射入磁场相同的速度射入磁场, ,但飞出磁场时但飞出磁场时 的速度方向相对于入射方向改变了的速度方向相对于入射方向改变了 6060角角, ,求磁感应强度求磁感应强度BB多大？此多大？此 次粒子在磁场中运动

21、所用时间次粒子在磁场中运动所用时间t t是是 多少？多少？ 第35页/共47页 变式：变式：在圆形区域的匀强磁场的磁感应强度为在圆形区域的匀强磁场的磁感应强度为B B， 一群速率不同的质子自一群速率不同的质子自A A点沿半径方向射入磁场区点沿半径方向射入磁场区 域，如图所示，已知该质子束中在磁场中发生偏域，如图所示，已知该质子束中在磁场中发生偏 转的最大角度为转的最大角度为1061060 0，圆形磁场的区域的半径为，圆形磁场的区域的半径为R R ，质子的质量为，质子的质量为m m，电量为，电量为e e，不计重力，则该质，不计重力，则该质 子束的速率范围是多大？子束的速率范围是多大？ 3 4 BeR v m 第36页/共47页 结论结论1：对准圆心射入：对准圆心射入,必定沿着圆心射出必定沿着圆心射出 带电粒子带电粒子在圆形磁场中运动在圆形磁场中运动的四个结论的四个结论 结论结论2：对准圆心射入，速度越大，偏转角和圆：对准圆心射入，速度越大，偏转角和圆 心角都越小，运动时间越短。心角都越小，运动时间越短。 第37页/共47页 变变：（：（0606年全国年全国II）如图所示，在）如图所示，在x x0 0与与x x0 0的区的区 域中，存在磁感应强度大小