带电粒子在电场和磁场中运动的应用

带电粒子在电场和磁场中运动的应用教学目的］１、能了解荷质比的测定方法。２、能了解质谱仪、速度选择器、回旋加速器的基本构造及原理。３、能够运用带电粒子在磁场中运动的规律来解决有关实际问题。［教学重点］运用带电粒子在磁场中运动的规律来解决有关实际问题。［教学难点］回旋加速器中带电粒子运动速度、周期与加速电场周期的关系。［教学方法］提问、讨论法［教学手段］多媒体辅助教学［教学过程］一、复习提问１、提问提问带电粒子垂直进入某一匀强磁场，其受力情况如何？运动轨迹如何？２、带电粒子在磁场中作匀速圆周运动，其轨道半径、周期分别由什么来决定？二、引入新课带电粒子在磁场中的运动有哪些应用呢？若空间同时存在电场与磁场，带电粒子的运动又会受到什么影响呢？三、讲授新课（一）、荷质比的测定、质谱仪１、板书荷质比的概念：带电粒子的电荷与质量之比。它是带电粒子的基本参量。板书２、确定荷质比的意义：在电场和磁场中，带电粒子受到的力与电量成正比，得到的加速度与粒子的质量成反比，因而粒子的运动情况依赖于粒子的荷质比。这样，我们确定了粒子的荷质比，就可研究带电粒子在电场和磁场中的运动情况；反之由粒子的运动情况也可求出粒子的荷质比。多媒体展现３、测定荷质比的装置：A：电离室S1—S2：加速电场S2—S3：速度选择器B：匀强磁场D：照相底片多媒体摸拟动态过程并讲解、板书１）、粒子进入电离室，电离成正负离子；２）、正离子由孔飘出，从缝S1进入加速电场，设加速电场两极板间的电势差是U，粒子所带的电量是q，粒子进入缝S1时速度很小，几乎为零，由动能定理可知，粒子离开加速电场从孔S２出来所获得的动能是mv2/2=qU----------------------------------(1)3)、粒子以速度v由小孔S3进入匀强磁场作匀速圆周运动,mv2/r=Bqv---------------------------------------(2)由（１）和（２）式得：q/m=2U/B2r2上式右方的各物理量都可以由实验测出来。即微观量的大小可以通过宏观量的测定而得到的。板书４、电子就是通过测定荷质比而被发现的。５、测定荷质比的装置――质谱仪（最初由汤姆生发现的）。６、质谱线：从离子源中射出的带电粒子的电量相同，而质量有微小差别，由公式q/m=2U/B2r2，它们进入磁场后将沿不同的半径做圆周运动，打在照相底片的不同位置，在底片上形成若干谱线条的细条，叫质谱线。得用质谱线可以准确地测出各种同位素的原子量。板书（二）、速度选择器多媒体摸拟动态过程并讲解１、原理示意图离子从小孔S1飘出来时速度并不相同，因此经加速电场加速后，从缝S3进入匀强磁场中速度也不同，这对实验有一定的影响。于是人们在缝S2和缝S3之间加一速度选择器。其中D1和D2是板书两个平行金属板，分别连电源的两极上，其间有一定的电场强度E，同时在这空间加有垂直电场方向的磁场，磁感应强度为B。不同速率的粒子进入混合场，运动轨迹不同。２、原理：若Bqv>Eq，粒子向右偏转；若Bqv<Eq，粒子向右偏转；若Bqv=Eq，粒子由缝S3射出根据：Bqv=Eq则：V=E/B３、讨论：提问，学生讨论1）、若带电粒子带负电，会不会影响速度选择器对速度的选择？若把磁场或电场反向，会不会影响速度选择器对速度的选择？若把磁场和电场同时反向，会不会影响速度选择器对速度的选择？多媒体摸拟动态过程并讲解2）、质谱仪主要是用来研究同位素的粒子的质量为m，电量为q，加速电压为U,速度选择器内电场为E，磁感应强度为B’，匀强磁场的磁感应强度为B，粒子射到了照相底片上，使底片感受光，设底片感光处距S3的距离为x，试证明x=qBB’x/2E.板书(三)、回旋加速器１、不是利用高压电源使粒子一次性得到巨大的速度，而是利用电压较低的高频电源，使粒子每隔一定的时间受到一次加速，经过多次加速后达到巨大速度。２、回旋加速器的主要构造多媒体摸拟动态过程多媒体摸拟动态过程回旋加速器的核心部分是两个D形的金属扁盒，这两个D形盒就象是沿着直径把一个圆形的金属扁盒切成两半，两个D形盒之间留一个窄缝，在中心附近放有粒子源。D形盒装在真空容器中，整个装置放在巨大电磁铁的两极之间，磁场方向垂直于D形盒的底面。两个D形盒分别接在频率为的高频电源的两极上，就在D形盒的窄缝之间造成交变电场，这样粒子源发出的带电粒子就不断加速。带电粒子在D形盒内沿螺旋线逐渐趋于盒的边缘，达到一定的速率后，用特殊装置把它们引出。3、工作原理１）多媒体摸拟动态过程，并分过程、一步一步讨论A0处放一粒子源，带正电的粒子以某一速率v0垂直进入匀强磁场，在磁场中作匀速圆周运动，经过T/2，沿圆弧A0A1到达A1。２）在A1A’处造成一个向上电场，使其加速，速率由v0增加到v1，粒子以v1在磁场中做匀速圆周运动，虽然粒子的运动半径随速率的增大而增大，但周期与速率、半径无关，所以经过T/2，沿半圆弧A1’A2’到达A2’。３）在A2’A2处造成一向下电经加速后，速率为v2。３）如此继续下去，每当粒子运动到A1、A3、A5有一向上电场加速，每当粒子运动到A2、A4、A6处有一向下电场加速，粒子沿着螺线回旋下去，速率将一步一步地增大。４、说明：要保证粒子沿着螺线回旋下去，速率一步一步地增大，交变电场的周期必须与粒子作匀速圆周运动周期相等。四、总结教师总结本节课共讨论了三个主要应用，分别是质谱仪、速度选择器和回旋加速器，要掌握它们的原理，只要明确带电粒子在电场和磁场的运动规律即可。五、布置作业学习指导书的相应练习杨文兵一九九九年十二月课堂检测1、数颗带电粒子从静止开始经同一电场加速后进入同一匀强磁场中，其速度方向均与磁场垂直。这些粒子在磁场中做圆周运动的半径均相同，则它们在磁场中具有---[]A）相同的动量大小B）相同的动能C）相同的荷质比D）相同的周期2、具有相同速度的质子、氘核和α粒子垂直于磁场方向飞入同一匀强磁场中，则[]A）它们的轨道半径之比为1:2:2B）它们的向心加速度之比为2:1:1C）它们的向心力之比为1:1:2D）它们的周期之