河北地区高中物理第三章磁场3.5带电粒子在匀强磁场中的运动学案无解答新人教选修.docx

3.5 带电粒子在匀强磁场中的运动【学习目标】1.通过实验探究带电粒子沿着与磁场垂直的方向射入匀强磁场中的运动。2.通过理论分析带电粒子在匀强磁场中会做匀速圆周运动的条件,并能用学过的知识推导出匀速圆周运动的半径公式和周期公式。3.能够用学过的知识分析、计算有关带电粒子在匀强磁场中受力、运动的问题。4.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。【知识导学】1.带电粒子在匀强磁场中的运动(1)洛伦兹力的特点:洛伦兹力总是与速度方向垂直,因此洛伦兹力不改变带电粒子速度的大小,不对带电粒子做功,也就不改变其能量。(2)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,由洛伦兹力提供向心力。2.质谱仪质谱仪是通过测量带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时轨道的半径来计算粒子的比荷或质量的仪器。3.回旋加速器(1)原理:回旋加速器利用磁场控制轨道,利用电场进行加速。(2)优点:可以大大缩小加速器装置所占的空间。(3)缺点:带电粒子的能量达到2530 MeV后,就很难再加速。 【三“点”探究】主题1:实验观察带电粒子在匀强磁场中的运动规律用洛伦兹力演示仪观察运动电子在匀强磁场中的运动,回答下列问题。(1)由实验可以看出电子束径迹的半径r与磁感应强度B和电子速度v有什么关系?(2)教材图3.6-3(带电粒子在气泡室运动径迹的照片。有的粒子运动过程中能量降低,速度减小,径迹就呈螺旋形)中的带电粒子的径迹为什么有很多不是圆周而是螺旋形? 主题2:理论探究带电粒子在匀强磁场中的运动规律阅读教材中“带电粒子在匀强磁场中的运动”标题下的内容,回答下列问题。(1)沿着与磁场垂直的方向射入的带电粒子在匀强磁场中做什么运动?其所受洛伦兹力起什么作用?(2)质量为m、电荷量为q的粒子以速度v垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中时,粒子运动径迹的半径r和周期T是多少? 主题3:质谱仪的原理 阅读教材中本节例题以及相关内容,回答下列问题。(1)如果从离子源产生的离子经电场加速后,不是直接进入磁场而是由小孔进入一个速度选择器,再进入磁场,如图所示,你知道速度选择器的工作原理吗?(2)如果带电粒子的电荷量相同而质量不同,则它们经速度选择器进入磁场后做圆周运动的半径相同吗?为什么? 主题4:回旋加速器阅读教材中“回旋加速器”标题下面的内容,回答下列问题。(1)回旋加速器两端所加的交流电压的周期由什么决定?(2)有同学说:“回旋加速器两D形电极间所加交变电压越大,带电粒子最后获得的能量越高?”你认为该同学的说法正确吗?为什么?【知识运用】1.一个带电粒子沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场,粒子的一段径迹如图所示,径迹上的每小段都可以近似看成圆弧,由于带电粒子使沿途空气电离,粒子的能量逐渐减小(带电荷量不变),从图中情况可以确定 ( )。A.粒子从a到b,带正电B.粒子从b到a,带正电C.粒子从a到b,带负电D.粒子从b到a,带负电2.处在匀强磁场内部的两个相同的电子A和B分别以速率v和2v垂直射入匀强磁场,经偏转后,先回到原来出发点的是 ( )。A.A先到达 B.同时到达 C.B先到达 D.无法判断 3.如图所示,在两个不同的匀强磁场中,磁感应强度关系为B1=2B2,当不计重力的带电粒子从B1磁场区域运动到B2磁场区域时,粒子的( )。A.速率将加倍B.轨迹半径将加倍C.周期将加倍D.角速度将加倍4.1930年,劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器,其原理如图所示。这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成,其间留有空隙。下列说法正确的是( )。A.离子由加速器的中心附近进入加速器B.离子由加速器的边缘进入加速器C.离子从磁场中获得能量D.离子从电场中获得能量【拓展提升】拓展一、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的分析方法1.电子质量为m、电荷量为q,以与x轴成角的速度v0射入磁感应强度为B的匀强磁场中,最后落在x轴上的P点,如图所示。求:(1) OP的长度。(2)电子由O点射入到落在P点所需的时间t。 拓展二、质谱仪的工作原理分析2.图示为质谱仪的原理示意图,A为粒子加速器,电压为U1;B为速度选择器,磁场与电场正交,磁感应强度为B1,板间距离为d;C为偏转分离器,磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为q的正离子经加速后,恰好通过速度选择器,进入分离器后做半径为R的匀速圆周运动,求:(1)粒子的速度v。(2)速度选择器的电压U2。(3)粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R。 拓展三、回旋加速器的问题分析3.有一回旋加速器,它的交流电压的频率为1.2107 Hz,半圆形D盒电极半径为0.532 m,已知氘核的质量m=3.34