带电粒子在匀强磁场中的运动

带电粒子在匀强磁场中的运动第1页，共38页，2023年，2月20日，星期一古往今来，人们一直在思考、探索：世界万物究竟是由什么构成的？它有最小的基本结构吗？面对微观世界的“基本”粒子，人类不断思考：有没有办法使带电粒子获得高能量，然后去轰击原子核，通过观察它们的变化来探索物质的微观世界？“要做更多的仪器，还要更多地测量。”——阿斯顿课堂引入第2页，共38页，2023年，2月20日，星期一了解阿斯顿阿斯顿（FrancisWi11iamAston）是英国物理学家，擅长实验，知识渊博，自英国伯明翰大学毕业后，就到著名的卡文迪许实验室当了汤姆逊的助手。他长期从事同位素和质谱的研究。他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪，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。1945年11月20日，阿斯顿在剑桥大学因病逝世，终年68岁。他制作和发明的许多仪器都妥善地保存在伦敦博物馆和卡文迪许实验室博物馆内。第3页，共38页，2023年，2月20日，星期一§3.6带电粒子在匀强磁场中的运动第4页，共38页，2023年，2月20日，星期一介绍球形电子射线管第5页，共38页，2023年，2月20日，星期一球形电子射线管实验第6页，共38页，2023年，2月20日，星期一带电粒子在磁场中的运动规律F洛1、若带电粒子运动方向与磁场方向平行(v∥B)，则粒子不受洛伦兹力的作用，粒子作匀速直线运动；Bv2、若带电粒子的运动方向与磁场方向互相垂直(v⊥B)，则粒子在洛伦兹力作用下，将作匀速圆周运动第7页，共38页，2023年，2月20日，星期一匀强磁场中带电粒子的匀速圆周运动1、向心力由洛仑兹力提供2、轨道半径公式3、周期周期与运动速率无关，仅由粒子本身及磁场决定。角速度第8页，共38页，2023年，2月20日，星期一带电粒子在气泡室中的径迹第9页，共38页，2023年，2月20日，星期一质谱仪1、电场中加速2、磁场中的匀速圆周运动：所测粒子的荷质比：第10页，共38页，2023年，2月20日，星期一1、质谱线：容器A中含有电荷量相同而质量不同的粒子，进入磁场后将做不同半径的圆周运动，打到照相底片D的不同地方，形成谱线状的细条。2、质谱仪：每一条谱线对应一定的质量，从谱线位置可测知半径，若已知粒子的带电量q，就可求出粒子的质量m。3、利用质谱仪对某种元素进行测量，可以准确地测出各种同位素的原子量。锗4、质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的，他用质谱仪首先得到了氖-20和氖-22的质谱线，证实了同位素的存在。质谱仪第11页，共38页，2023年，2月20日，星期一早期的直线加速器2、特点：①高压电源②粒子获得最高能量可达10MevUEK=mv2/2=qU1、原理：利用电场加速带电粒子第12页，共38页，2023年，2月20日，星期一直线加速器加速原理：由动能定理得，带电粒子经n级的电场加速后，增加的动能为：——通过多级加速获得高能粒子第13页，共38页，2023年，2月20日，星期一多级直线加速器应具备的条件：为了保证带电粒子一直加速，应采用交变电源提供加速电压，且在加速电场以外的区域需静电屏蔽，同时还要求电场交替变化的周期与带电粒子运动的变化周期同步。筒间加速筒内静电屏蔽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。？直线加速器第14页，共38页，2023年，2月20日，星期一直线加速器第15页，共38页，2023年，2月20日，星期一回旋加速器1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内进行多级加速。第16页，共38页，2023年，2月20日，星期一了解劳伦斯劳伦斯(ErnestOrlandoRawrence)是美国著名物理学家、回旋加速器的发明者，1901年8月8日出生于美国达科他州南部的坎顿，是一个教书世家，其祖父及父母都是教师，他年仅30岁就闻名于全世界。1930年，劳伦斯受聘于伯克利加利福尼亚大学担任物理学教授。为了研究核物理，劳伦斯提出一种使粒子作曲线运动并同时加速的方案。因人工放射性方面的成果于1939年获诺贝尔物理学奖。1940年，劳伦斯成为麻省理工学院内的另一辐射实验室的美国物理学家之一。在他的实验室中工作过的人，有八人获诺贝尔奖的殊荣，其中四人是劳伦斯的徒弟或低级合作者，另外四人则是以别的方式同“辐射实验室”有联系的。第17页，共38页，2023年，2月20日，星期一回旋加速器的原理第18页，共38页，2023年，2月20日，星期一

原理：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个D形盒和其间的窄缝内完成。回旋加速器的原理第19页，共38页，2023年，2月20日，星期一1、磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，并在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期和速率、半径均无关，带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场中加速。2、电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速．3、交变电压的作用：为了保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，须在窄缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压。回旋加速器的原理第20页，共38页，2023年，2月20日，星期一带电粒子在回旋加速器中获得的最终能量：当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，若D形盒的半径为R，由R=mv/qB及EK=mv2/2可得带电粒子的最终动能为：由此可得：要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R。

回旋加速器的原理第21页，共38页，2023年，2月20日，星期一1、带电粒子在两D形盒中回旋每经过一个周期，被电场加速二次2、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次，

每次增加的动能为EK=qU

3、对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半径是相同的，故有所有各次半径之比为：故在D形盒中加速的时间为t=nT回旋加速器的原理第22页，共38页，2023年，2月20日，星期一回旋加速器的出现，使人类在获得具有较高能量的粒子的方面前进了一大步，了解其它类型的加速器：直线加速器、同步加速器、电子感应加速器、串列加速器、电子对撞机等。粒子加速器第23页，共38页，2023年，2月20日，星期一费米实验室环形加速器——美国伊利诺依州第24页，共38页，2023年，2月20日，星期一——同步加速器法国东南部格勒诺布尔第25页，共38页，2023年，2月20日，星期一粒子加速器第26页，共38页，2023年，2月20日，星期一粒子加速器第27页，共38页，2023年，2月20日，星期一北京正负电子对撞机第28页，共38页，2023年，2月20日，星期一北京正负电子对撞机部分原理图第29页，共38页，2023年，2月20日，星期一带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压高低有关吗？加速电压越高，带电粒子每次加速的动能增量越大，回旋半径也增加越多，导致带电粒子在D形盒中的回旋次数减少；反之，加速电压越低，粒子在D形盒中回旋的次数增多，可见加速电压的高低只影响带电粒子加速的总次数，并不影响引出时的速度和相应的动能。思考与讨论第30页，共38页，2023年，2月20日，星期一1、关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正确的是()A、电场和磁场都对带电粒子起加速作用B、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的C、只有电场能对带电粒子起加速作用D、磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动CD课堂练习第31页，共38页，2023年，2月20日，星期一课堂练习C2、两个粒子带电量相等，在同一匀强磁场中只受磁场力而做匀速圆周运动，则()A、若速率相等，则半径相等B、若速率相等，则周期相等C、若质量和速度大小的乘积相等，则半径相等D、若动能相等，则周期相等第32页，共38页，2023年，2月20日，星期一3、倾角θ的光滑斜面处于垂直纸面向里的匀强磁场中，磁感应强度为B，一滑块质量为m，带电量为-q，从斜面上静止开始下滑，求滑块能在斜面上滑动时间t为多少？-qmmgF洛课堂练习FN第33页，共38页，2023年，2月20日，星期一4、长为l的水平极板间，有垂直纸面向里的匀强磁场，如图所示，磁感应强度为B，板间距离也为l，板不带电，现有质量为m，电量为q的带正电粒子（不计重力），从左边极板中点处垂直磁感线以速度水平射入磁场，欲使粒子不打在极板上，可采用的办法是：（）A、使粒子的速度

B、使粒子的速度C、使粒子的速度

D、使粒子的速度

ABO1R1××××××××××××BO2R2课堂练习第34页，共38页，2023年，2月20日，星期一5、如图所示，在x轴上方有匀强磁场B，一个质量为m，带电量为-q的的粒子，以速度v从O点射入磁场，角已知，粒子重力不计，求(1)粒子在磁场中的运动时间.(2)粒子离开磁场的位置.课堂练习第35页，共38页，2023年，2月20日，星期一6、一带电量为3×10－8C的粒子垂直射入磁感应强度B＝0.8T的匀强磁场中，它从a点到b点需2×10－4s，从b点到a点需10－3s，ab相距0.3m，若粒子速度为10m/s，则该粒子的质量大小为多少？60°abO课堂练习7.2×10-10kg第36页，共38页，2023年，2月20日，星期一7、已个绝缘的光滑半圆形轨道，半径为R，竖直放置在磁感应强度为B，方向与轨道平面垂直的匀强磁场中，轨道两端在同一水平面上，如图所示，如果一个质量为m，带电量为+q的小球，从左端点静止开始滑下，小球运动过程中始终与轨道接触，求小球运动到最低点对轨道压力FN的大小?课堂练习洛伦兹力不做功！第37页，共38页，2023年，2