2019_2020版高中物理第三章6带电粒子在匀强磁场中的运动课件新人教版.pptx

6 带电粒子在匀强磁场中的运动,学习目标,1.理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时,粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动.2.会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式,知道它们与哪些因素有关,并能熟练应用.3.了解质谱仪、回旋加速器的工作原理,并以此为情景进行有关问题的分析、计算.,课前预习,课堂探究,随堂演练,课前预习 掌握新知,知识梳理,一、带电粒子在匀强磁场中的运动 1.现象:不计重力的带电粒子沿着与磁场 的方向进入匀强磁场,带电粒子做匀速圆周运动. 2.洛伦兹力作用:提供带电粒子做圆周运动的 ,即qvB= .,垂直,向心力,4.实例:带电粒子通过处在匀强磁场中的“云室”“气泡室”等装置时,可以看到其 径迹,且粒子的质量、速度、带电多少不一样时径迹 也不一样.,无关,圆形,半径,二、质谱仪 1.原理:如图所示,带电粒子经加速电场加速后垂直于磁场方向进入匀强磁场,最后打在照相底片上,不同质量的粒子在照相底片上位置不同.,qU,qvB,5.应用:可以测定带电粒子的质量和分析 . 三、回旋加速器 1.构造:两个半圆形 处于与盒面垂直的匀强磁场中,两金属盒间接 电源.如图所示.,同位素,金属盒,交流,2.原理:粒子源产生的带电粒子在 被电场加速,在金属盒内做匀速圆周运动,经 之后,金属盒间电场反向又被加速,如此,粒子一次次被加速使速度增加到很大. 3.条件:高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期 .粒子每经过两金属盒缝隙时都被加速,其轨道半径就大一些,粒子做圆周运动的周期 .,两盒之间,半个圆周,相同,不变,科学思维,1.思考判断,(1)洛伦兹力的方向随电荷运动方向的变化而变化,但无论怎样变化,洛伦兹力的方向都与运动方向垂直.( ) (2)同一带电粒子在磁场中运动的速度越大,运动半径越大,运动周期越小.( ) (3)回旋加速器中,电场负责加速,磁场负责偏转,但最终获得的动能大小与加速电压无关.( ) (4)在回旋加速器中,交变电压的周期与带电粒子在磁场中做圆周运动的周期相同.( ) (5)在某一质谱仪中,若不同粒子飘入加速电场后到达底片的不同点,它们的质量一定不同.( ),2.思维探究 (1)教材第100页图3.6-3是带电粒子在气泡室运动径迹的照片,图片的解释“有的粒子运动过程中能量降低,速度减小,径迹就呈螺旋形”,为什么径迹会呈螺旋形?,(2)若回旋加速器的D形盒半径足够大,能把粒子加速到光速吗?,答案:回旋加速器加速的带电粒子,能量达到2530 MeV后,就很难再加速了.原因是按照狭义相对论,粒子的质量随着速度的增加而增大,而质量的变化会导致其回旋周期的变化,这样就破坏了与电场变化周期的同步,所以回旋加速器不能把粒子加速到光速.,要点一 带电粒子在有界的匀强磁场中的运动 探究导学,课堂探究 突破要点,利用如图所示洛伦兹力演示仪观察带电粒子在匀强磁场中的运动实验.,答案:(1)直线;匀速圆周运动. (2)半径减小;半径增大.,(1)不加磁场时,电子束运动轨迹是什么样?垂直电子束运动方向加上匀强磁场,电子束做什么运动? (2)保持电子束的速度不变,增大磁感应强度或保持磁感应强度不变,增大电子束的速度,分别看到什么现象?,要点归纳 1.由轨迹圆弧确定圆心的方法 (1)已知粒子运动轨迹上两点的速度方向时,作这两速度的垂线,交点即为圆心.如图(甲)所示. (2)已知粒子轨迹上的两点和其中一点的速度方向时,粒子轨迹上的两点连线的中垂线与已知点的速度的垂线的交点即为圆心.如图(乙)所示,3.常用角度关系 (1)速度的偏向角( )等于圆心角(). (2)圆心角等于弦切角的2倍. (3)相对的弦切角()相等,相邻的弦切角()互补,即+= 180,如图(甲)所示.,(4)进出同一直边界时速度方向与该边界的夹角相等,如图(乙)所示.,例1 如图,在平面直角坐标系xOy的第象限存在大小为B,方向垂直于纸面向里的匀强磁场.一质量为m,电荷量绝对值为q的粒子以一定的速度从原点O沿与y轴夹角为30的方向进入磁场,运动到坐标为(a,b)的M点时,粒子的速度方向恰好与x轴正向一致.不计重力.下列判断正确的是( ),B,思维导图:,学霸笔记,(1)直线边界:进出磁场具有对称性.,(2)平行边界:存在临界条件.,(3)圆形边界:沿径向射入必沿径向射出.,(4)“三步法”处理带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动,(教师备用) 例1-1:(2019甘肃兰州一中高二期末)如图所示,带有正电荷的A粒子和B粒子同时以同样大小的速度(速度方向与边界的夹角分别为30,60)从宽度为d的有界匀强磁场的边界上的O点射入磁场,又恰好都不从另一边界飞出,则下列说法中正确的是( ),C,针对训练1 (2019江西临川一中高二月考)如图,直角坐标系xOy平面内,有一半径为R的圆形匀强磁场区域,磁感应强度的大小为B,方向垂直于纸面向里,边界与x,y轴分别相切于a,b两点.一质量为m,电荷量为q的带电粒子从b点沿平行于x轴正方向进入磁场区域,离开磁场后做直线运动,经过x轴时速度方向与x轴正方向的夹角为60,下列判断正确 的是( ),C,要点二 质谱仪 探究导学,如图为质谱仪原理示意图.设粒子质量为m,电荷量为q,加速电场电压为U,偏转磁场的磁感应强度为B.则粒子进入磁场时的速度是多大?打在底片上的位置到S3的距离多大?,例2(2019山东日照模拟)质谱仪是测带电粒子质量和分析同位素的一种仪器,它的工作原理是带电粒子(不计重力,初速度为0)经同一电场加速后,垂直进入同一匀强磁场做圆周运动,然后利用相关规律计算出带电粒子质量.其工作原理如图所示.虚线为某粒子运动轨迹,由图可知( ) A.此粒子带负电 B.下极板S2比上极板S1电势高 C.若只减小加速电压U,则半径r变大 D.若只减小入射粒子的质量,则半径r变小,D,学霸笔记,分析质谱仪问题,实质上就是分析带电粒子在电场(或相互垂直的电磁场)中的直线运动和在匀强磁场中的匀速圆周运动的组合,分析时要根据带电粒子在不同场区的运动规律列出对应的方程,然后由题目要求得出正确的结论.,(教师备用) 例2-1:(2019宁夏石嘴山三中高二期末)(多选)如图所示,平行金属板M,N之间有竖直向下的匀强电场,虚线下方有垂直纸面的匀强磁场,质子(带1个单位正电荷,质量数为1)和粒子(带2个单位正电荷,质量数为4)分别从上板中心S点由静止开始运动,经电场加速后从O点垂直磁场边界进入匀强磁场,最后从a,b两点射出磁场(不计重力),下列说法正确的是( ) A.磁场方向垂直纸面向外 B.从a点离开的是粒子 C.从b点离开的粒子在磁场中运动的速率较大 D.粒子从S出发到离开磁场,由b点离开的粒子所用时间较长,AD,针对训练2(2019安徽宣城期末)如图所示,两金属板间磁感应强度大小为B和电场强度大小为E,两者相互垂直(速度选择器).一束带电粒子以一定的初速度沿直线通过两极板间后从狭缝P进入另一磁感应强度大小为B的匀强磁场,最后打在平板S的不同位置,不计粒子重力,则( ),D,要点三 回旋加速器 探究导学,随着回旋加速器中带电粒子速度的增加,缝隙处电势差的正负改变是否越来越快,以便能使粒子在缝隙处刚好被加速?为什么?,2.交变电源的作用:在狭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,其电场总对“准时”进入的带电粒子加速. 3.带电粒子的最终能量:要提高加速粒子的最终能量,应尽可能地增大磁感应强度B和D形盒的半径R.,例3(2019河南洛阳期末)回旋加速器是加速带电粒子的装置,其核心部分是分别与高频交流电极相连接的两个D形金属盒,两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场,使粒子在通过狭缝时都能得到加速,两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中,如图所示,下列说法中正确的是( ) A.带电粒子从磁场中获得能量 B.带电粒子所获得的最终动能与加速器的电压有关,电压越大,动能越大 C.带电粒子在加速器中的运动时间与加速器磁场有关,磁场越强,运动时间越长 D.带电粒子所获得的能量与带电粒子的质量和电荷量均有关,质量和电荷量越大,能量越大,C,学霸笔记,(1)高频电源的电压大小是否变化,只要其频率与带电粒子在磁场中的转动频率相等,粒子总被加速,由于D形盒间狭缝很小,粒子经过狭缝时间很短,狭缝间电场可看做匀强电场.,(教师备用) 例3-1:如图所示,回旋加速器D形盒的半径为R,用来加速质量为m,电荷量为q的质子,使质子由静止加速到能量为Ek,由A孔射出,求:,(1)加速器中匀强磁场的磁感应强度B的方向和大小;,(2)加速器中交变电场的周期;,(3)设两D形盒间的加速电压为U,质子每次经电场加速后能量增加,加速到上述能量所需时间(不计在电场中的加速时间).,针对训练3 (2019四川成都模拟)一种改进后的回旋加速器示意图如图所示,在两个中空的半圆金属盒内,位于D形盒一侧有一长度较小,宽度忽略不计的窄缝A,C,其间的加速电场场强大小恒定,电场被限制在A,C间,与A,C平行的两虚线之间无电场.D形盒处于与盒面垂直的匀强磁场中,带电粒子从P0处以速度v0沿电场线方向射入加速电场,经加速后再进入D形盒中的磁场做匀速圆周运动.恰好从P0点再进入加速电场加速,如此对粒子多次加速.对这种 改进后的回旋加速器,下列说法正确的是( ) A.加速电场的方向需要做周期性的变化 B.加速后粒子的最大速度与D形盒的尺寸无关 C.带电粒子每运动一周被加速一次 D.带电粒子每运动一周直径的变化量相等,即P1P2等于P2P3,C,随堂演练 检测效果,C,C,3.(2019黑龙江鹤岗期末)回旋加速器是加速带电粒子的装置,其主体部分是两个D形金属盒.两金属盒处在垂直于盒底的匀强磁场中,并分别与高频交流电源两极相连接,从而使粒子每次经过两盒间的狭缝时都得到加速,如图所示.现要增大带电粒子从回旋加速器射出时的动能,下列方法可行的是( ) A.减小磁场的磁感应强度 B.减小狭缝间的距离 C.增大高频交流电压 D.增大金属盒的半径,D,4