带电粒子在匀强磁场中的运动.ppt

第1课时,3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动,第三章 磁场,1、你对洛伦兹力有哪些了解？,大小：,方向：,特点：,2、物体在什么情况下做匀速圆周运动？,3、你还记得下列公式吗？,合力方向始终垂直于速度方向，大小恒定,温故,FqvBsin（是V与B间的夹角）,用左手定则判断：F洛B F洛v即F洛 Bv组成的平面,只改变v的方向，不改变v的大小 ，对运动电荷永不做功,探究思考,问题1:带电粒子在磁场中一定受到洛伦兹力作用吗?,问题2:带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时会做什么运动呢？,磁场中的带电体一般可分为两类：,1、带电粒子：如电子,质子,粒子,正负离子等.这些粒子所受重力比洛仑磁力小得多,除有说明或暗示外，一般都不考虑重力(但并不能忽略质量).,2、带电微粒：如带电小球、液滴、油滴、尘埃等.除有说明或暗示外,一般都考虑重力.,带电体是否考虑重力,要根据题目暗示或运动状态来判定.,一.带电粒子在匀强磁场中的运动,当带电粒子q以速度v垂直进入匀强磁场中，它将做什么运动?,带电粒子将在垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动，洛伦兹力充当向心力。,3、Fv，F大小不变,2、F永远不做功,1、忽略粒子的重力,只受洛伦兹力F,知新,1、理论分析:,+,洛伦兹力演示器,加速电压选择挡,励磁线圈（亥姆霍兹线圈）：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：作用是改变电子束出射的速度,电子枪：射出电子,2、实验验证,2、实验验证,沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在匀强磁场中做匀速圆周运动,磁感应强度不变，粒子射入的速度增加,轨道半径增大,粒子射入速度不变，磁感应强度增大，轨道半径减小,洛伦兹力提供带电粒子做匀速圆周运动所需的向心力,实验结论：,一.带电粒子在匀强磁场中的运动,知新,2、实验验证:,问题3:带电粒子质量为 m，电荷量为 q，粒子以垂直于磁场的初速度 v 进入匀强磁场，已知磁场的磁感应强度为 B。你能根据圆周运动知识推导出带电粒子在磁场中做圆周运动的半径和周期吗？,3、运动规律,规律推导,周期T与运动速度及运动半径无关,运动规律,1)圆半径r,2)周期T,半径r跟速率v成正比.,2v,T=2m/eB,例 1、匀强磁场中，有两个电子分别以速率v和2v沿垂直于磁场方向运动，哪个电子先回到原来的出发点？,两个电子同时回到原来的出发点,运动周期和电子的速率无关,轨道半径与粒子射入的速度成正比,v,两个电子轨道半径如何？,牛刀小试,观察实例：带电粒子在气泡室运动径迹的照片：,（1）不同带电粒子的径迹半径为何不同？,（2）同一径迹上为什么曲率半径越来越小？,通过威尔逊云室显示的正负电子在匀强磁场中的运动径迹,如运动电荷在匀强磁场中除洛仑兹力外其他力均忽略不计（或均被平衡）,(2)当B时，所受洛仑兹力提供向心力，做匀速圆周运动；,(1)当B时，所受洛仑兹力为零，做匀速直线运动；,在同一磁场中，周期T跟圆半径r和速率v均无关，由荷质比决定。,小结：电荷的匀强磁场中的三种运动形式,(3)当与B夹一般角度时，由于可以将正交分解为和（分别平行于和垂直于）B，因此电荷一方向以的速度在平行于B的方向上做匀速直线运动，另一方向以的速度在垂直于B的平面内做匀速圆周运动。,等距螺旋,小结：电荷的匀强磁场中的三种运动形式,练1 、两个比荷相同、初速度大小不同的带电粒子，垂直进入同一匀强磁场后（不计重力），下列说法中正确的是 （ ） A它们运动的半径相同 B它们运动的周期相同 C初速度大的粒子运动的半径大 D初速度大的粒子运动的周期大,BC,练2 如图所示，在加有匀强磁场的区域中，一垂直于磁场方向射入的带电粒子，其间通过绝缘板，（无电量损失）轨迹如图所示，从图中可以看出： （ ）,A带电粒子带正电，是从B点射入的 B带电粒子带负电，是从B点射入的 C带电粒子带负电，是从A点射入的 D带电粒子带正电，是从A点射入的,A,B,C,周期有无变化？,练3 如图所示，一带电粒子垂直于磁场方向射入的某匀强磁场的区域中， MN左侧磁感应强度为B1,，右侧为B2,且B1B2其间通过两磁场的分界线MN，（无能量损失）轨迹如图所示，从图中可以看出： （ ）,N,A,A,B,A若带电粒子带正电，是从B点射入的 B若带电粒子带负电，是从B点射入的 C带电粒子速率不变，运动周期减小 D带电粒子周期不变，运动半径一定增大,练4、如图所示，在加有匀强磁场的区域中，一垂直于磁场方向射入的带电粒子轨迹如图所示，由于带电粒子与沿途的气体分子发生碰撞，带电粒子的能量逐渐减小，从图中可以看出：（ ） A带电粒子带正电，是从B点射入的 B带电粒子带负电，是从B点射入的 C带电粒子带负电，是从A点射入的 D带电粒子带正电，是从A点射入的,B,周期有无变化？,练5 如图所示，在加有非匀强磁场的区域中，一垂直于磁场方向射入的带电粒子，轨迹如图所示，从图中可以看出（ ） ：,A带电粒子带正电，是从B点射入的 B带电粒子带负电，是从B点射入的 C带电粒子带负电，是从A点射入的 D带电粒子带正电，是从A点射入的,A,B,AC,A,练6、在水平放置的光滑绝缘平面上，有一个带电荷量为q=210-7C、质量为m=510-5kg的小球，从A点以速度V=4107m/s垂直射入磁场，从B射出，A，B之间相距L=2m，求1）小球做圆周运动的半径和周期？2）磁感应强度B？,B,例题2：一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为的加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为的匀强磁场中，最后打到照相底片上求： （）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,1、质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具,2、基本原理,将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场，引起轨迹半径不同而分开，进而分析某元素中所含同位素的种类,3、推导,二、质谱仪,质谱仪原理分析,1、质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具,2、基本原理,将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场，由于粒子动量不同，引起轨迹半径不同而分开，进而分析某元素中所含同位素的种类,3、推导,第2课时,3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动,第三章 磁场,在研究物质的微观结构的时候，往往需要一些高能的粒子流作为“炮弹”去进行轰击。这必然要求使带电粒子获得足够大的动能。那么该如何对粒子进行加速呢？,问题提出,探究思考,问题1:怎样使带电粒子获得足够大的动能呢?我们学过的那些方法可以对其加速？,问题2:我们能不能利用磁场使带电粒子加速？,1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， qU=Ek .,（一）、直线加速器,三、加速器,问题3:若要使带电粒子获得足够大的动能可以采取什么措施？,解决问题,可采用多级直线加速器，分多次加速 如图所示是多级加速装置的原理图：,问题4:如上述设计能使带电粒子多次被加速，获得足够大的动能吗？,设想1：,2加速器的结构：,设想2：,可利用静电屏蔽，将多级加速电场间制成圆筒使带电粒子不受反向电场的减速影响。 请对下述加速器进行修改,问题5:利用修改后的多级直线加速器来加速带电粒子，应该满足什么条件？,采用交变电压。并且交变电压的变化周期应跟粒子穿过两级加速电场的时间相等。但由于多次被加速，粒子运动速度越来越快，所以应不断增加多级加速电场的长度。使直线型加速器占地比较广。,效果：由动能定理得带电粒子经n极的电场加速后增加的动能为：,缺点：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,2加速器的特点：,问题6:能不能重复利用一个加速电场来加速带电粒子呢？,可利用磁场的回旋，使带电粒子回头经同一个加速电场多次加速。,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,（二）、回旋加速器,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。,1931年，加利福尼亚大学的劳伦斯斯提出了一个卓越的思想，通过磁场的作用迫使带电粒子沿着磁极之间做螺旋线运动,把长长的电极像卷尺那样卷起来，发明了回旋加速器，第一台直径为27cm的回旋加速器投入运行，它能将质子加速到1Mev。1939年劳伦斯获诺贝尔物理奖。,1.回旋加速器的结构,U,1.回旋加速器的结构,（1）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 （2）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 （3）交变电压：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,2.回旋加速器的工作原理,思考：带电粒子的最终能量由哪些因素决定？,当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由r=mv/qB得v= rqB/m，若D形盒的半径为R，则带电粒子的最终动能：,所以，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与加速电压U无关。,思考讨论,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：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