带电粒子在匀强磁场中的运动(课本)

1、复习 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。 1、什么是洛伦兹力？它与安培力的关系？、什么是洛伦兹力？它与安培力的关系？洛伦兹力：运动电荷在磁场中受到的作用力洛伦兹力：运动电荷在磁场中受到的作用力2 2、洛伦兹力的方向如何判定？、洛伦兹力的方向如何判定？ 此力是否对带电粒子做功？此力是否对带电粒子做功？ 洛伦兹力的方向由左手定则判定洛伦兹力的方向由左手定则判定（1 1）四指指）四指指正电荷的运动方向， 或指负电荷运动的反方向。（2 2）洛伦兹力垂直于且与、 所在 的平面垂直，所以洛伦兹力不做功4 4、带电粒子在电场和磁场中受力情况有带电粒子在电场和磁场中受力情况有

2、 何不同？何不同？3、带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力？、带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力？（1）当电荷运动方向与磁场方向垂直（vB）时， f=qvB.（2）当电荷运动方向与磁场方向平行（v / B)时， 电荷不受洛伦兹力.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问题1在在不计重力不计重力的情况下，带的情况下，带电粒子电粒子平行电场平行电场方向进入方向进入匀强电场时会做什么运动匀强电场时会做什么运动呢？呢？VE问题问题2在在不计重力不计重力的情况下，带的情况下，带电粒子电粒子平行磁场平行磁场方向进入方向进入匀强磁场时会做什么运动匀强磁场

3、时会做什么运动呢？呢？BV匀变速直线运动匀变速直线运动F电电=Eq(恒定）恒定）匀速直线运动匀速直线运动f洛洛=0问题问题3在仅受在仅受电场力电场力的情况下，的情况下，带电粒子带电粒子垂直电场垂直电场方向进方向进入匀强电场时会做什么运入匀强电场时会做什么运动呢？动呢？VV+问题问题4在仅受在仅受磁场力磁场力的情况下，的情况下，带电粒子带电粒子垂直磁场垂直磁场方向进方向进入匀强磁场时会做什么运入匀强磁场时会做什么运动呢？动呢？类平抛运动类平抛运动匀速圆周运动匀速圆周运动演示实验演示实验问题问题5在仅受在仅受磁场力磁场力的情况下，带电粒子的情况下，带电粒子垂直磁场垂直磁场方向进入匀强磁场时为方向进

4、入匀强磁场时为什么会做匀速圆周运动呢？什么会做匀速圆周运动呢？问题问题6带电粒子进入匀强磁场做匀速圆周运动的半径与哪些因素有关呢？带电粒子进入匀强磁场做匀速圆周运动的半径与哪些因素有关呢？环形线圈环形线圈电子射线管电子射线管洛伦兹力演示仪洛伦兹力演示仪VVff线圈未通电时，线圈未通电时，B=0线圈通电时，线圈通电时，B0 方方向垂直线圈平面向里向垂直线圈平面向里模拟分析模拟分析实验演示实验演示一、带电粒子在匀强磁场中的运动一、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

5、运动匀速圆周运动（1 1）半径特征：）半径特征：rvmBqv2Bqmvr （2 2）周期特征：）周期特征：BqmvrT22注意：周期注意：周期T T与运动速度及运动半径无关与运动速度及运动半径无关问题问题6带电粒子进入匀强磁场做匀速圆周运动的半径与哪些因素有关呢？带电粒子进入匀强磁场做匀速圆周运动的半径与哪些因素有关呢？【例题例题】一个质量为一个质量为 m m、电荷量为、电荷量为q q的粒子，从容器下方的小的粒子，从容器下方的小孔孔S S1 1飘入电势差为的加速电场，然后经过飘入电势差为的加速电场，然后经过 S S3 3 沿着与磁场垂沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为直的方向进入磁感应强度为

6、 的匀强磁场中，最后打到照相的匀强磁场中，最后打到照相底片上求：底片上求：（）求粒子进入磁场时的速率（）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（）求粒子在磁场中运动的轨道半径解答：解答：212qUmv加速：12mvRdqB偏转：1122mURdBqmqUv2二、实际应用二、实际应用加速电场：使带电粒子加速加速电场：使带电粒子加速 v=偏转磁场区：使带电粒子轨迹发生偏转，并被拍照偏转磁场区：使带电粒子轨迹发生偏转，并被拍照 偏转半径偏转半径 r=mv/qB=1、质谱仪、质谱仪：精密测量带电粒子精密测量带电粒子质量和分析同位素（测荷质比）质量和分析同位素（测荷质比）的仪器的仪器 。

7、mqU222qBmU发明者：阿斯顿（发明者：阿斯顿（汤姆生的学生汤姆生的学生 ）结构与原理：结构与原理：背景材料 人类在科学研究领域往往需要用到能量人类在科学研究领域往往需要用到能量很大的高能粒子，需要发明出能加速粒子很大的高能粒子，需要发明出能加速粒子的装置，粒子加速器就是这样应运而生的。的装置，粒子加速器就是这样应运而生的。粒子加速器粒子加速器粒子加速器的种类：粒子加速器的种类： 直线加速器直线加速器回旋加速器回旋加速器1 1加速原理：利用加速电场对带电粒子做加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，正功使带电粒子的动能增加，qU= Ek2 2直线加速器，多级加速直线加速

8、器，多级加速如图所示是多级加速装置的原理图：如图所示是多级加速装置的原理图： 由动能定理得带电粒子经由动能定理得带电粒子经n极的电场加极的电场加速后增加的动能为：速后增加的动能为：)(321nkUUUUqE 3 3直线加速器占有的空间范围大，在有限的空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间范围内制造直线加速器受到一定的限制2、回旋加速器回旋加速器（1）作用：产生高速运动的粒子）作用：产生高速运动的粒子（2）原理原理1）、两）、两D形盒中有匀强磁场无电场，形盒中有匀强磁场无电场，盒间缝隙有交变电场。盒间缝隙有交变电场。2）、交变电场的周期等于粒子做匀速）、交

9、变电场的周期等于粒子做匀速圆周运动的周期。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。）、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：解析：加速电压越加速电压越高高，带电粒子每次加速的动能增量越，带电粒子每次加速的动能增量越大大，回旋半径也增加越回旋半径也增加越多多，导致带电粒子在，导致带电粒子在D形盒中的回旋次数越形盒中的回旋次数越少少；反之，加速电压越低，粒子在；反之，加速电压越低，粒子在D形盒中回旋的次数越多，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

10、影响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，由动半径也最大，由r=mv/qB得得v= rqB/m，若若D形盒的半径为形盒的半径为R，则带电粒子的最终动能：则带电粒子的最终动能：mRBqEm2222三、回旋加速器三、回旋加速器回旋加速器的局限性回旋加速器的局限性（1 1）D D形盒半径不能无限增大形盒半径不能无限增大（2 2）受相对论效应制约，质量随速度而增大，周）受相对论效应制约，质量随速度而增大，周期期T T变化。变化。mRBqE22022kBqmT2 此加

11、速器可将质子和氘核加速到此加速器可将质子和氘核加速到1MeV1MeV的能量，的能量，为此为此19391939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖. .19321932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D D型室型室. .三、回旋加速器三、回旋加速器三、回旋加速器三、回旋加速器我国于我国于1994年建成的第一台强流质子加速年建成的第一台强流质子加速器器 ，可产生数十种中短寿命放射性同位素，可产生数十种中短寿命放射性同位素 .本课小结：本课小结：一、带电粒子在匀强磁场中的运动一、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：做匀速圆周运动垂直磁感线进入：做