2019-2020学年高中物理 第三章 磁场 6 带电粒子在匀强磁场中的运动课件 新人教版选修3-1.ppt

6带电粒子在匀强磁场中的运动,知识自学,自我检测,一、带电粒子在匀强磁场中的运动阅读教材第99页第一至第四自然段和“带电粒子在匀强磁场中的运动”部分,了解洛伦兹力演示仪的结构和原理,理解带电粒子垂直射入匀强磁场时,粒子做匀速圆周运动。1.参照课本洛伦兹力演示仪的实物照片和结构图,说明此仪器的组成部分和工作原理。答案:电子枪、充有稀薄气体的玻璃泡、两个励磁线圈和下部的电子线路组成。电子枪产生电子束,电子束通过玻璃泡内的稀薄气体时能够显示电子的径迹。两个励磁线圈能产生与两线圈中心连线平行的匀强磁场。电子速度的大小和磁感应强度可以通过电子枪的加速电压和励磁线圈的电流来调节。,知识自学,自我检测,2.洛伦兹力的特点带电粒子所受的洛伦兹力方向总与速度方向垂直,在速度方向没有分量,所以洛伦兹力不改变速度的大小,即洛伦兹力对带电粒子不做功,不改变粒子的能量。3.带电粒子在匀强磁场中的运动(1)运动特点:垂直射入匀强磁场的带电粒子做匀速圆周运动。其向心力就是洛伦兹力。(2)半径和周期公式:一带电粒子的质量为m,电荷量为q,速率为v,它在磁感应强度为B的匀强磁场中做圆周运动。根据洛伦兹力提供向心力可得4.物理学研究中还可以通过哪些方法显示粒子的径迹?答案:可以让粒子通过云室和气泡室,显示它们的径迹。,知识自学,自我检测,二、质谱仪阅读教材第100页“例题”部分,了解质谱仪的结构和作用。1.质谱仪的组成由粒子源容器、加速电场、偏转磁场和底片组成。2.质谱仪的用途质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的。他用质谱仪发现了氖20和氖22,证实了同位素的存在。质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。,知识自学,自我检测,三、回旋加速器阅读教材第101102页“回旋加速器”部分,了解多级加速器和回旋加速器的结构,初步了解回旋加速器的工作原理。1.为什么要设计多级加速器?有什么缺点?答案:由动能定理得:,可见电场电压越高,粒子离开电场后的能量越高。由于技术条件的限制,两极电压不可能无限提高,因此常常采用多级加速的办法。在多级加速器中粒子做直线运动,加速装置要很长很长,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。2.参照课本回旋加速器的原理图,简述回旋加速器组成。答案:两个中空的半圆金属盒、两盒间有电势差U,两个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中。,知识自学,自我检测,1.正误判断。(1)带电粒子在磁场中一定做匀速圆周运动。()解析:只有当粒子垂直射入匀强磁场中时,粒子才做匀速圆周运动。答案:(2)带电粒子在磁场中运动的速度越大,则周期越大。()解析:由可知,带电粒子在磁场中的运动周期与粒子速度无关。答案:(3)带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的半径与粒子的质量和速度无关。()解析:根据半径公式可知,半径r与粒子的质量和速度有关。答案:,知识自学,自我检测,(4)利用质谱仪可以测定带电粒子的质量和分析同位素。()解析:利用质谱仪可以测定带电粒子的质量和分析同位素。答案:(5)当交变电压的周期等于带电粒子在磁场中运动的周期时,回旋加速器中的粒子才能被加速。()解析:粒子被加速后,进入磁场,经过1个半圆的时间,再次进入电场被加速,再次进入磁场,经过1个半圆被加速;即交变电场或交变电压的周期等于带电粒子在磁场中运动的周期。答案:,知识自学,自我检测,(6)回旋加速器能把粒子加速到光速。()解析:回旋加速器加速的带电粒子,能量达到2530MeV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旋转周期的变化,交变电场的频率不再跟粒子运动频率一致,这样就破坏了加速器的工作条件,进一步提高粒子的速率就不可能了,所以回旋加速器不能把粒子加速到光速。答案:,知识自学,自我检测,2.两个粒子,带电荷量相等,在同一匀强磁场中只受到磁场力作用而做匀速圆周运动,则()A.若速率相等,则半径必相等B.若质量相等,则周期必相等C.若动能相等,则半径必相等D.若动能相等,则周期必相等答案:B,知识自学,自我检测,3.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.只有电场对带电粒子起偏转作用D.磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动解析:回旋加速器中的电场是对粒子加速的,磁场是改变粒子方向的,因为洛伦兹力和速度方向垂直,不做功,选项D正确。答案:D,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,带电粒子在匀强磁场中的运动如图所示,可用洛伦兹力演示仪观察运动电子在磁场中的偏转。(1)不加磁场时,电子束的运动轨迹如何?加上磁场时,电子束的运动轨迹如何?(2)如果保持出射电子的速度不变,增大磁感应强度,轨迹圆半径如何变化?如果保持磁感应强度不变,增大出射电子的速度,圆半径如何变化?,要点提示:(1)一条直线;一个圆周。(2)减小;增大。,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,1.理论分析垂直进入匀强磁场的带电粒子做匀速圆周运动洛伦兹力总与速度方向垂直洛伦兹力不改变带电粒子速度的大小洛伦兹力的大小也不改变正好起到向心力的作用,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,带电粒子(不计重力)以一定的速度v进入磁感应强度为B的匀强磁场时的运动轨迹:(1)当vB时,带电粒子将做匀速直线运动;(2)当vB时,带电粒子将做匀速圆周运动;(3)当带电粒子斜射入磁场时,带电粒子将沿螺旋线运动。,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,【例题1】如图所示,a和b所带电荷量相同,以相同动能从A点射入磁场,在匀强磁场中做圆周运动的半径ra=2rb,则可知(重力不计)(),探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,【例题2】如图所示,一束电荷量为e的电子以垂直于磁场方向(磁感应强度为B)并垂直于磁场边界的速度v射入宽度为d的磁场中,穿出磁场时速度方向和原来射入方向的夹角为=60。求电子的质量和穿越磁场的时间。,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,带电粒子做匀速圆周运动问题的分析方法(1)圆心的确定方法:两线定一点圆心一定在垂直于速度的直线上。如图甲所示,已知入射点P(或出射点M)的速度方向,可通过入射点和出射点作速度的垂线,两条直线的交点就是圆心。圆心一定在弦的中垂线上。如图乙所示,作P、M连线的中垂线,与其中一个速度的垂线的交点为圆心。,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,质谱仪下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?,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,【例题3】如图所示为质谱仪的原理图。利用这种质谱仪可以对氢元素进行测量。氢元素的各种同位素,从容器A下方的小孔S1进入加速电压为U的加速电场,可以认为从容器出来的粒子初速度为零。粒子被加速后从小孔S2进入磁感应强度为B的匀强磁场,最后打在照相底片D上,形成a、b、c三条质谱线。关于氢的三种同位素进入磁场时速率的排列顺序和三条谱线的排列顺序,下列说法中正确的是()A.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氕、氘、氚B.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氚、氘、氕C.a、b、c三条谱线的排列顺序是氕、氘、氚D.a、b、c三条谱线的排列顺序是氘、氚、氕,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,答案:A,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,回旋加速器下图是回旋加速器的原理图,已知D形盒的半径为R,匀强磁场的磁感应强度为B,交变电流的周期为T,若用该回旋加速器来加速质子,设质子的质量为m,电荷量为q,请思考:(1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用?质子每次经过狭缝时,动能的增加量是多少?(2)对交流电源的周期有什么要求?(3)带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定?,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,要点提示:(1)磁场的作用是使带电粒子回旋,电场的作用是使带电粒子加速。动能的增加量为qU。(2)交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期。,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,粒子最终获得的动能与加速电压U无关,加速电压U的大小只影响粒子在回旋加速器中运动的时间。,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,【例题4】(多选)一个用于加速质子的回旋加速器,其核心部分如图所示,D形盒半径为R,垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B,两盒分别与交流电源相连。设质子的质量为m、电荷量为q,则下列说法正确的是()A.D形盒之间交变电场的周期为B.质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大C.质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大D.只要R足够大,质子的速度可以被加速到任意值,探究一,探究二,探究三,当堂检测,问题探究,名师精讲,典例剖析,探究三,当堂检测,探究一,探究二,1,2,1.(多选)如图所示,两个匀强磁场的方向相同,磁感应强度分别为B1、B2,虚线MN为理想边界。现有一个质量为m、电荷量为e的电子以垂直于边界MN的速度v由P点沿垂直于磁场的方向射入磁感应强度为B1的匀强磁场中,其运动轨迹为图中虚线所示的心形图线,以下说法正确的是()A.电子的运动轨迹为PDMCNEPB.电子运动一周回到P点所用的时间C.B1=4B2D.B1=2B2,3,探究三,当堂检测,探究一,探究二,1,2,3,探究三,当堂检测,探究一,探究二,1,2,2.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)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的质量。其工作原理如图所示,虚线为某粒子的运动轨迹,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.若只增大加速电压U,则半径r变大D.若只增大入射粒子的质量,则半径r变小,3,探究三,当堂检测,探究一,探究二,1,2,合左手定则可知,该粒子带正电,故A错误;粒子经过电场要加速,因粒子带正电,所以下极板S2比上极板S1电势低,故B错误;若只增大加速电压U,由上式可知,则半径r变大,故C正确;若只增大入射粒子的质量,由上式可知,则半径也变大,故D错误。