宋莉允带电粒子在匀强磁场中运动实用教案

1、当磁铁(cti)靠近电视会怎样第1页/共33页第一页，共33页。【知识(zh (zh shi)shi)回顾】1、洛伦兹力产生、洛伦兹力产生(chnshng)的的条件？条件？2、洛伦兹力的大小和方向如何、洛伦兹力的大小和方向如何(rh)确确定？定？3、洛伦兹力有什么特点？、洛伦兹力有什么特点？射入匀强磁场中的带电粒射入匀强磁场中的带电粒子将做怎样的运动呢？子将做怎样的运动呢？思考：思考：第2页/共33页第二页，共33页。判断(pndun)下图中带电粒子（电量q，重力不计）所受洛伦兹力的大小和方向： - B v + v B 一、运动一、运动(yndng)形式形式1、带电粒子平行射入、带电粒子平行射

2、入(sh r)匀强磁场时匀强磁场时匀速直线运动。匀速直线运动。2、带电粒子平行射入匀强磁场时做什么运动、带电粒子平行射入匀强磁场时做什么运动第3页/共33页第三页，共33页。【推理(tul)(tul)与猜想】v vB B（1 1） 时时 ，洛伦兹力的方向与速度方向的，洛伦兹力的方向与速度方向的关系关系（2 2）带电粒子）带电粒子(lz)(lz)仅在洛伦兹力的作用仅在洛伦兹力的作用下，粒子下，粒子(lz)(lz)的速率变化么？能量呢？的速率变化么？能量呢？（3 3）洛伦兹力如何）洛伦兹力如何(rh)(rh)变化？变化？（4 4）你猜想垂直于匀强磁场方向射入的带电）你猜想垂直于匀强磁场方向射入的带

3、电粒子可能做什么运动？粒子可能做什么运动？垂直垂直第4页/共33页第四页，共33页。加速电压选择挡磁场强弱选择挡亥姆霍兹线圈洛伦兹力洛伦兹力演示演示(ynsh)仪仪【实验(shyn)(shyn)验证】电子枪第5页/共33页第五页，共33页。第6页/共33页第六页，共33页。sinvv 与与 不垂直不垂直Bv拓展拓展(tu zhn)：u粒子粒子(lz)的轨迹是一条螺旋线的轨迹是一条螺旋线第7页/共33页第七页，共33页。 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径，与粒子的速度、磁场的磁感应的圆半径，与粒子的速度、磁场的磁感应强度有什么关系？强度有什么关系？思考

4、与讨论 什么力提供什么力提供(tgng)带电粒子带电粒子做匀速圆周运动的向心力？做匀速圆周运动的向心力？ 向心力的计算公式是什么？向心力的计算公式是什么？第8页/共33页第八页，共33页。mvRqB2、圆周运动的周期(zhuq)思考(sko)：周期与速度、半径什么关系？带电粒子将在垂直于磁场带电粒子将在垂直于磁场(cchng)的平面内做匀速的平面内做匀速圆周动圆周动 1、圆周运动的半径第9页/共33页第九页，共33页。 通过(tnggu)格雷塞尔气泡室显示的带电粒子在匀强磁场中的运动径迹1.1.不同带电粒子不同带电粒子的径迹半径为什的径迹半径为什么不一样么不一样(yyng)(yyng)？2.2

5、.同一条径迹上同一条径迹上为什么曲率半径为什么曲率半径会越来越小呢？会越来越小呢？第10页/共33页第十页，共33页。 提出问题：能否从气泡提出问题：能否从气泡室中带电粒子的径迹室中带电粒子的径迹(jn j)得到启发，设计一个仪器，得到启发，设计一个仪器，将比荷不同、初速度几乎为将比荷不同、初速度几乎为零带电粒子分开？零带电粒子分开？第11页/共33页第十一页，共33页。设计方案：设一个质量为设计方案：设一个质量为m m、电荷量为、电荷量为q q的粒子的粒子, ,从容器下方的小孔从容器下方的小孔S1S1飘入电势差为飘入电势差为U U的加速电场的加速电场, ,其其初速度几乎为零初速度几乎为零,

6、,然后经过然后经过S3S3沿着与磁场垂直的方沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度向进入磁感应强度(qingd)(qingd)为为B B的匀强磁场中的匀强磁场中, ,最最后打到照相底片后打到照相底片D D上上. .求：求：(1)(1)求粒子进入磁场时的速率求粒子进入磁场时的速率(2)(2)求粒子在磁场中运动的轨道半径求粒子在磁场中运动的轨道半径第12页/共33页第十二页，共33页。质谱仪通过测出粒子圆周运动的半径，计算(j sun)粒子的比荷或质量及分析同位素的仪器.第13页/共33页第十三页，共33页。阿斯顿 阿斯顿是英国物理学家，他长期(chngq)从事同位素和质谱的研究。他首次制成了聚焦性能

7、较高的质谱仪，并用此来对许多元素的同位素及其丰度进行测量，从而肯定了同位素的普遍存在。同时根据对同位素的研究，他还提出了元素质量的整数法则。因此他荣获了1922年的诺贝尔化学奖。Francis William Aston18771945第14页/共33页第十四页，共33页。 1 1、水平、水平(shupng)(shupng)导线中有电流导线中有电流I I通过，导通过，导线正下方的电子初速度的方向与电流线正下方的电子初速度的方向与电流I I的方向的方向相同，则电子将（相同，则电子将（ ）v va ab bI IA.A.沿路径沿路径a a运动运动, ,轨迹轨迹(guj)(guj)是圆是圆B.B.沿

8、路径沿路径a a运动运动, ,轨迹轨迹(guj)(guj)半径越来越半径越来越大大C.C.沿路径沿路径a a运动运动, ,轨迹轨迹(guj)(guj)半径越来越半径越来越小小D.D.沿路径沿路径b b运动运动, ,轨迹轨迹(guj)(guj)半径越来越半径越来越小小例与练例与练第15页/共33页第十五页，共33页。 2 2、有三种(sn zhn)(sn zhn)粒子，分别是质子（）、氚核、（）和粒子（）束，如果它们以相同的速度沿垂直于磁场方向射入匀强磁场（磁场方向垂直纸面向里），在下图中，哪个图正确地表示出这三束粒子的运动轨迹？（）例与练例与练P11H31He42qBmvr P11qmr 第1

9、6页/共33页第十六页，共33页。3 3、两个励磁线圈中每一线圈为、两个励磁线圈中每一线圈为N =140N =140匝，半径为匝，半径为R= 140 R= 140 mmmm，两线圈内的电流方向一致，大小相同为，两线圈内的电流方向一致，大小相同为I= 1.00AI= 1.00A，线，线圈之间距离正好等于圆形线圈的半径，在玻璃泡的区域内圈之间距离正好等于圆形线圈的半径，在玻璃泡的区域内产生的磁场产生的磁场(cchng)(cchng)为匀强磁场为匀强磁场(cchng)(cchng)，其磁感应强，其磁感应强度度 （特斯拉）。灯丝发出的电子经过加速电（特斯拉）。灯丝发出的电子经过加速电压为压为U=125

10、VU=125V的电场加速后，垂直磁场的电场加速后，垂直磁场(cchng)(cchng)方向进入方向进入匀强磁场匀强磁场(cchng)(cchng)区域，通过标尺测得圆形径迹的直径区域，通过标尺测得圆形径迹的直径为为D= 80.0mmD= 80.0mm，请估算电子的比荷，请估算电子的比荷 。（答案保留。（答案保留2 2位有位有效数字）效数字）例与练例与练第17页/共33页第十七页，共33页。解：第18页/共33页第十八页，共33页。问题问题1：要认识原子核内部的情况，必须把：要认识原子核内部的情况，必须把核核“打开打开(d ki)”进行进行“观察观察”。然而，。然而，原子核被强大的核力约束，只有

11、用极高能原子核被强大的核力约束，只有用极高能量的粒子作为量的粒子作为“炮弹炮弹”去轰击，才能把它去轰击，才能把它“打开打开(d ki)”。那么怎样才能产生这些。那么怎样才能产生这些高能炮弹呢？高能炮弹呢？加速器加速器第19页/共33页第十九页，共33页。加速器中的径迹为直线加速器中的径迹为直线(zhxin)(zhxin)，其加速装置要很，其加速装置要很长很长长很长设计方案：设计方案：多级加速器多级加速器第20页/共33页第二十页，共33页。第21页/共33页第二十一页，共33页。问题问题2：有没有什么办法可以让带电粒子在：有没有什么办法可以让带电粒子在加速后又转回来被第二次加速，如此加速后又转

12、回来被第二次加速，如此(rc)反复反复“转圈圈转圈圈”式地被加速，加速器装置所式地被加速，加速器装置所占的空间不是会大大缩小吗？占的空间不是会大大缩小吗？第22页/共33页第二十二页，共33页。设计方案：回旋设计方案：回旋(huxun)加速器加速器回旋回旋(huxun)加速加速器的原理器的原理第23页/共33页第二十三页，共33页。1、作用：产生高速运动、作用：产生高速运动(yndng)的粒子的粒子2、原理、原理(yunl)1）、两D形盒中有匀强磁场无电场，盒间缝隙(fngx)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。 已知回

13、旋加速器中D形盒内匀强磁场的磁感应强度大小为B，D形盒的半径为r.今将质量为m、电量为q的质子从间隙中心处由静止释放，求粒子在加速器内加速后所能达到的最大速度表达式. 第24页/共33页第二十四页，共33页。返回(fnhu)第25页/共33页第二十五页，共33页。qBmvRmmqBRvm221mkmmvE与加速与加速(ji s)(ji s)电压无电压无关！关！第26页/共33页第二十六页，共33页。第27页/共33页第二十七页，共33页。 如果尽量增强回旋加速器的磁场或加大D形盒半径，我们(w men)是不是就可以使带电粒子获得任意高的能量吗？ 3、由于侠义相对论的限制，回旋加速器只能把粒子加

14、速到一定(ydng)的能量。第28页/共33页第二十八页，共33页。4 4、回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心的部分是分别与高频交流电极(dinj)(dinj)相连的两个D D形金属盒。两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示。要增大带电粒子射出的动能，则下列说法中正确的是（ ）例与练例与练A.A.增大匀强电场间的加速电压增大匀强电场间的加速电压B.B.增大磁场的磁感应强度增大磁场的磁感应强度B BC.C.减少狭缝减少狭缝(xi fn)(xi fn)间的距离间的距离D.D.增大增大D D形金属盒的半径形金属盒的半径第29页/共33页第二十九页，共33页。1)圆半径(bnjng)r2)周期(zhu