带电粒子在匀强磁场中的运动-新人教版综合自用版ppt课件

1、第三章第六节复习：问题1：什么是洛伦兹力？问题1：带电粒子在磁场中能否一定遭到洛伦兹力？-磁场对运动电荷的作用力-不一定，洛伦兹力的计算式 F洛=qVBsin 讨论：讨论：假设带电粒子不计重力以沿着与匀强磁场垂假设带电粒子不计重力以沿着与匀强磁场垂直的方向射入磁场，粒子将如何运动？直的方向射入磁场，粒子将如何运动？2、洛伦兹力的方向总是与速度方向垂直，洛、洛伦兹力的方向总是与速度方向垂直，洛伦兹力只会改动粒子速度的方向，不会改动伦兹力只会改动粒子速度的方向，不会改动其大小。其大小。 1、由于是匀强磁场，洛伦兹力大小坚持不变、由于是匀强磁场，洛伦兹力大小坚持不变猜测与假设猜测与假设F洛洛F洛洛F

2、洛洛F洛洛讨论：讨论：假设带电粒子不计重力以沿着与匀强磁场垂假设带电粒子不计重力以沿着与匀强磁场垂直的方向射入磁场，粒子将如何运动？直的方向射入磁场，粒子将如何运动？2、洛伦兹力的方向总是与速度方向垂直，洛、洛伦兹力的方向总是与速度方向垂直，洛伦兹力只会改动粒子速度的方向，不会改动伦兹力只会改动粒子速度的方向，不会改动其大小。其大小。 1、由于是匀强磁场，洛伦兹力大小坚持不变、由于是匀强磁场，洛伦兹力大小坚持不变3、该带点粒子将会做匀速圆周运动，洛伦兹、该带点粒子将会做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力。力提供向心力。 亥姆霍兹线圈亥姆霍兹线圈电电 子子 枪枪磁场强弱选择挡磁场强弱选择挡加速电压

3、加速电压选择挡选择挡洛伦兹力演示器洛伦兹力演示器实验：实验：励磁线圈：作用是能在两线圈之间产生平行于两线圈中心的连线的匀强磁场加速电场：作用是改动电子束出射的速度无磁场无磁场实验验证实验验证有磁场有磁场 实验景象：实验景象：1.不加磁场时电子的径迹是直线;2.加上匀强磁场时，电子的径迹变弯曲成圆形；3.磁场越强，径迹的半径越小；4.电子的出射速度越大，径迹的半径越大。一、带电粒子运动轨迹一、带电粒子运动轨迹2 mTqB2 RTvmvRqB2vqvBmR1、圆周运动的半径、圆周运动的半径2、圆周运动的周期、圆周运动的周期总结：由1式可知，粒子速度越大，轨迹半径 越大；磁场越强，轨迹半径越小。 由

4、2式可知，粒子运动的周期与粒子的速度大小无关，磁场越强，周期越短。带电粒子在气泡室运动径迹的照片带电粒子在气泡室运动径迹的照片1 1不同带电粒子的径迹半径为何不同？不同带电粒子的径迹半径为何不同？2 2同一径迹上为什么曲率半径越来越小？同一径迹上为什么曲率半径越来越小？例例1 1：一个带电粒子，沿垂直于磁场的方向：一个带电粒子，沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场粒子的一段径迹如以下图射入一匀强磁场粒子的一段径迹如以下图所示径迹上的每一小段都可近似看成圆所示径迹上的每一小段都可近似看成圆弧由于带电粒子使沿途的空气电离，粒子弧由于带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能量逐渐减小的能量逐渐减小( (带电量

5、不变带电量不变) )从图中情况从图中情况可以确定可以确定A A粒子从粒子从a a到到b b，带正电，带正电B B粒子从粒子从a a到到b b，带负电，带负电C C粒子从粒子从b b到到a a，带正电，带正电D D粒子从粒子从b b到到a a，带负电，带负电 例例2 2、如下图，在垂直纸面向里的匀强磁场中，有、如下图，在垂直纸面向里的匀强磁场中，有a a、b b两两个电子从同一处沿垂直磁感线方向开场运动，个电子从同一处沿垂直磁感线方向开场运动，a a的初速度为的初速度为v v，b b的初速度为的初速度为2v2v那么那么 A Aa a先回到出发点先回到出发点 B Bb b先回到出发点先回到出发点

6、C Ca a、b b的轨迹是一对内切圆，且的轨迹是一对内切圆，且b b的半径大的半径大 D Da a、b b的轨迹是一对外切圆，且的轨迹是一对外切圆，且b b的半径大的半径大 ab 例例3 3、一带电粒子在磁感强度为、一带电粒子在磁感强度为B B的匀强磁场中做匀速的匀强磁场中做匀速圆周运动，如它又顺利进入另一磁感强度为圆周运动，如它又顺利进入另一磁感强度为2B2B的匀强磁场的匀强磁场中仍做匀速圆周运动，那么中仍做匀速圆周运动，那么 A A、粒子的速率加倍，周期减半、粒子的速率加倍，周期减半 B B、粒子的速率不变，轨道半径减半、粒子的速率不变，轨道半径减半 C C、粒子的速率减半，轨道半径变为

7、原来的、粒子的速率减半，轨道半径变为原来的 1/41/4 D D、粒子速率不变，周期减半、粒子速率不变，周期减半 例例4： 一个质量为一个质量为m、电荷量为、电荷量为q的粒子，从容器的粒子，从容器下方的小孔下方的小孔S1飘入电势差为飘入电势差为U的加速电场，其初速度几的加速电场，其初速度几乎为零，然后经过乎为零，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片的匀强磁场中，最后打到照相底片D上。上。1求粒子进入磁场时的速率。求粒子进入磁场时的速率。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。mq2vqUmv2

8、1S S221U可得：能间，电场力做功获得动在qmU2B1rvqmvrrvmqvv2可得：代入力提供向心力垂直进入磁场，洛伦兹以速度BB 可见半径不赞可见半径不赞同味着比荷不同，同味着比荷不同，意味着它们是不同意味着它们是不同的粒子的粒子运用：运用：质谱仪质谱仪经过测出粒子圆周运动的半径，计算粒子经过测出粒子圆周运动的半径，计算粒子的比荷或质量及分析同位素的仪器的比荷或质量及分析同位素的仪器.二、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时周期二、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时周期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时周期有何特征？时周期有何特征？BTmvrTqm

9、2qBvr2可知结合根据可见同一个粒子在匀强磁场中做匀速圆周可见同一个粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期与速度无关运动的周期与速度无关盘旋加速器就是根据这一特点设计的盘旋加速器就是根据这一特点设计的 1 1加速原理：加速原理： 利用加速电场对带电粒子做正功使利用加速电场对带电粒子做正功使 带电粒子的动能添加。带电粒子的动能添加。二二. .加速器加速器qUmv212 +U+2 2直线加速器多级加速直线加速器多级加速 如下图是多级加速安装的原理图：如下图是多级加速安装的原理图：二二. .加速器加速器多级直线加速器有什么缺陷？多级直线加速器有什么缺陷？直线加速器直线加速器 利用加速电场对带电粒子做

10、正利用加速电场对带电粒子做正功功,使带电的粒子动能添加，使带电的粒子动能添加，即即 qU =Ek直线加速器的多级加速：直线加速器的多级加速： 教材图教材图3.6-5所示的是多级所示的是多级加速安装的原理图，由动能定理可知，带电粒加速安装的原理图，由动能定理可知，带电粒子经子经n级的电场加速后添加的动能，级的电场加速后添加的动能， Ek=qU1+U2+U3+U4+Un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，在有限的空间内制造直线加速器遭到一定的限制。间内制造直线加速器遭到一定的限制。P1图图3.6-5多级加速器多级加速器P2P3P4P5P6一级一级二级二级三级三级n级级

11、加速原理：加速原理：2盘旋加速器盘旋加速器 1932年年,美国物理学家劳仑斯发明了盘旋加速器，美国物理学家劳仑斯发明了盘旋加速器，从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖一大步为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖盘旋加速器盘旋加速器1 1、作用：产生高速运动的粒子、作用：产生高速运动的粒子2 2、原理、原理 用磁场控制轨道、用电场进展加速用磁场控制轨道、用电场进展加速+- +-2DqBmv mqBDv2 2DqBmv 221mvEK mDBqEK8222 mDBqEK8222盘旋加速器盘旋加速器两两D形盒中有匀强

12、磁场无电场，盒形盒中有匀强磁场无电场，盒间缝隙有交变电场。间缝隙有交变电场。电场使粒子加速，磁场使粒子盘旋。电场使粒子加速，磁场使粒子盘旋。粒子盘旋的周期不随半径粒子盘旋的周期不随半径改动。让电场方向变化的改动。让电场方向变化的周期与粒子盘旋的周期一周期与粒子盘旋的周期一致，从而保证粒子一直被致，从而保证粒子一直被加速。加速。在磁场中做圆周运动在磁场中做圆周运动,周期不周期不变变每一个周期加速两次每一个周期加速两次电场的周期与粒子在磁场中电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期一样做圆周运动周期一样电场一个周期中方向变化两电场一个周期中方向变化两次次粒子加速的最大速度由盒的粒子加速的最大速度由盒

13、的半径决议半径决议电场加速过程中电场加速过程中,时间极短时间极短,可忽略可忽略结论结论7.粒子获得的最大动粒子获得的最大动能只与加速器的半能只与加速器的半径径R和磁感应强度和磁感应强度B有关，与加速电压有关，与加速电压U无关。无关。例例3：关于盘旋加速器的任务原理，以下说法正确的选：关于盘旋加速器的任务原理，以下说法正确的选项是：项是：A、电场用来加速带电粒子，磁场那么使带电粒子盘旋、电场用来加速带电粒子，磁场那么使带电粒子盘旋B、电场和磁场同时用来加速带电粒子、电场和磁场同时用来加速带电粒子C、同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大、同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大动能由加速电

14、压决议动能由加速电压决议D、同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大、同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大动能由磁感应强度动能由磁感应强度B决议和加速电压决议决议和加速电压决议 例例4：垂直纸面向外的匀强磁场仅限于宽度为：垂直纸面向外的匀强磁场仅限于宽度为d的的条形区域内，磁感应强度为条形区域内，磁感应强度为B一个质量为一个质量为m、电量为电量为q的粒子以一定的速度垂直于磁场边境方的粒子以一定的速度垂直于磁场边境方向从向从点垂直飞入磁场区，如下图，当它飞离磁点垂直飞入磁场区，如下图，当它飞离磁场区时，运动方向偏转场区时，运动方向偏转角试求粒子在磁场中角试求粒子在磁场中运动的时间运动的时

15、间t三、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的时间三、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的时间qBmqBmTt222四、带电粒子在磁场中运动情况研讨四、带电粒子在磁场中运动情况研讨 1、找圆心：方法、找圆心：方法 2、定半径：、定半径： 3、确定运动时间：、确定运动时间：Tt2qBmT2留意：用弧度表示几何法求半径几何法求半径向心力公式求半径向心力公式求半径利用利用vR利用弦的中垂线利用弦的中垂线301.1.圆心在哪里圆心在哪里? ?2.2.轨迹半径是多少轨迹半径是多少? ?OBdv 例例3 3：r=d/sin 30o =2d r=mv/qBt= 30o /360oT= T/12T=2 m/qB

16、T=2 r/v小结：小结：rt/T= 30o /360oA=30vqvB=mv2/rqvB=mv2/rt=T/12= m/6qB3、偏转角、偏转角=圆心角圆心角1、两洛伦兹力的交点即圆心、两洛伦兹力的交点即圆心2、偏转角：初末速度的夹角。、偏转角：初末速度的夹角。4.4.穿透磁场的时间如何求？穿透磁场的时间如何求？3、圆心角、圆心角 =? t=T/12= d/3vt=T/12= d/3vm=qBr/v=2qdB/vm=qBr/v=2qdB/vff 如图，虚线上方存在无穷大的磁场，一带正电的粒子质如图，虚线上方存在无穷大的磁场，一带正电的粒子质量量m、电量、电量q、假设它以速度、假设它以速度v沿

17、与虚线成沿与虚线成300、900、1500、1800角分别射入，请他作出上述几种情况下粒角分别射入，请他作出上述几种情况下粒子的轨迹、并求其在磁场中运动的时间。子的轨迹、并求其在磁场中运动的时间。例：有界磁场中粒子运动轨迹确实定入射角入射角300时时qBmqBmt3261入射角入射角1500时时qBmqBmt35265粒子在磁场中做圆周运动的对称规律：粒子在磁场中做圆周运动的对称规律：从同不断线边境射入的粒子，从同一边境射出时，从同不断线边境射入的粒子，从同一边境射出时，速度与边境的夹角相等。速度与边境的夹角相等。1 1、两个对称规律：、两个对称规律：五、临界问题五、临界问题例：长为例：长为L

18、的程度极板间，有垂直纸面向内的匀强磁场，如下图，的程度极板间，有垂直纸面向内的匀强磁场，如下图，磁感强度为磁感强度为B，板间间隔也为，板间间隔也为L，板不带电，现有质量为，板不带电，现有质量为m，电，电量为量为q的带正电粒子不计重力，从左边极板间中点处垂直磁的带正电粒子不计重力，从左边极板间中点处垂直磁感线以速度感线以速度v程度射入磁场，欲使粒子不打在极板上，可采用的程度射入磁场，欲使粒子不打在极板上，可采用的方法是：方法是： A使粒子的速度使粒子的速度v5BqL/4mC使粒子的速度使粒子的速度vBqL/mD使粒子速度使粒子速度BqL/4mv5BqL/4m 例题讲解例题讲解北京正负电子对撞机：

19、撞出物质奥妙北京正负电子对撞机：撞出物质奥妙 大科学安装的存在和运用程大科学安装的存在和运用程度，是一个国家科学技术开展的度，是一个国家科学技术开展的具象。它好像一块宏大的磁铁，具象。它好像一块宏大的磁铁，可以集聚智慧，构成一个多学科可以集聚智慧，构成一个多学科阵地。作为典型的大科学安装，阵地。作为典型的大科学安装，北京正负电子对撞机的艰苦改造北京正负电子对撞机的艰苦改造工程就是要再添磁力。工程就是要再添磁力。 北京正负电子对撞机在我国大科学安装工程中赫赫有名，北京正负电子对撞机在我国大科学安装工程中赫赫有名，为示范之作。为示范之作。1988年年10月月16日凌晨实现第一次对撞时，曾被日凌晨实现第一次对撞时，曾被描画为描画为“我国继原子弹、氢弹爆炸胜利、人造卫星上天之后，我国继原子弹、氢弹爆炸胜利、人造卫星上天之后，在高科技领域又一艰苦突破性成就。北京正负对撞机艰苦改在高科技领域又一艰苦突破性成就。北京正负对撞机艰苦改造工程的实施，将让这一大科学安装造工程的实施，将让这一大科学安装“晋级换代，继续立在晋级换代，继续立在国际高能物理的前端。国际高能物理的前端。 北京正