高中物理 第3章 第6节 带电粒子在匀强磁场中的运动（第1课时）课件 新人教版选修31.ppt

第三章磁场 第六节带电粒子在匀强磁场中的运动 第一课时 在讲授过程中 通过理论联系和实验视频等向学生说明 粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动 从而让学生能自己试着分析推导粒子做圆周运动的轨道半径和周期公式 重在理解公式的推导过程 本节课程主要也是对本章内容的综合应用 可引入具体的例题加以说明应用 对于回旋加速器等仪器的工作原理 可以从学生已经学过的知识入手 先简单介绍直线加速器的设想 然后引出回旋加速器 并进行评述 引导学生的思维 开阔学生的思路 1 理解洛伦兹力对粒子不做功 2 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 3 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 4 了解回旋加速器的工作原理 重点 带电粒子在匀强磁场中的受力分析及运动径迹 难点 带电粒子在匀强磁场中的受力分析及运动径迹 极光 是一种自然现象 是从宇宙深处射来的带电粒子进入地球磁场后发生的一种现象 同学们知道在地球的什么位置可以看到绚丽的极光吗 这节课我们一起来了解下 1 带电的基本粒子 如电子 质子 粒子 正负离子等 这些粒子所受重力和洛仑磁力相比小得多 除非有说明或明确的暗示以外 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 尘埃等 除非有说明或明确的暗示以外 一般都考虑重力 一 带电粒子的分类 3 某些带电体是否考虑重力 要根据题目暗示或运动状态来判定 1 v b时 洛伦兹力的方向与速度方向有何关系 1 带电粒子平行射入匀强磁场 运动状态如何 重力不计 2 带电粒子垂直射入匀强磁场 运动状态如何 重力不计 做匀速直线运动 2 带电粒子仅在洛伦兹力的作用下 粒子的速率变化么 能量呢 4 从上面的分析 你认为垂直于匀强磁场方向射入的带电粒子 在匀强磁场中的运动状态如何 洛伦兹力对电荷只起向心力的作用 故只在洛伦兹力的作用下 电荷将做匀速圆周运动 带电粒子在磁场中运动时 它所受的洛伦兹力总与速度方向垂直 不改变带电粒子的速度大小 只改变速度方向 二 带电粒子在匀强磁场中运动情况 1 工作原理 由电子枪发出的电子射线可以使管的低压水银蒸汽发出辉光 显示出电子的径迹 两个平行的通电环形线圈可产生沿轴线方向的匀强磁场 洛伦兹力演示仪 亥姆霍兹线圈 电子枪 3 实验结论 带电粒子垂直进入磁场中 粒子在垂直磁场方向的平面内做匀速圆周运动 此洛伦兹力不做功 2 实验现象 在暗室中可以清楚地看到 在没有磁场作用时 电子的径迹是直线 在管外加上匀强磁场 电子的径迹变弯曲成圆形 运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用 运动方向会发生偏转 这一点对于地球上的生命来说有十分重要的意义 从太阳或其他星体上 时刻都有大量的高能粒子流放出 称为宇宙射线 这些高能粒子流 如果都到达地球 将对地球上的生物带来危害 庆幸的是 地球周围存在地磁场 地磁场改变宇宙射线中带电粒子的运动方向 对宇宙射线起了一定的阻挡作用 形成了美丽的极光 例1 如图 有一质量为m 电荷量为q的带电粒子 不计重力 以速度v垂直进入磁感应强度为b的匀强磁场中 试求该粒子在磁场中做匀速圆周运动的圆半径r和运动周期t 三 带电粒子做匀速圆周运动的物理量 粒子做匀速圆周运动所需的向心力是由粒子所受的洛伦兹力提供的 所以 推导 1 轨道半径和粒子的运动速率成正比 2 带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期和运动速率无关 说明 例1 已知氢核与氦核的质量之比m1 m2 1 4 电荷量之比q1 q2 1 2 当氢核与氦核以v1 v2 4 1的速度 垂直磁场方向射入磁场后 分别做匀速圆周运动 则氢核与氦核的半径之比r1 r2 周期之比t1 t2 1 2 2 1 四 带电粒子做匀速圆周运动的应用 一 质谱仪 世界上第一台质谱分析器 磁式质谱仪 现代质谱仪 1 用途 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 例2 如图所示 一个质量m 电荷量q的带电粒子 从容器a下方小孔s1飘入电势差为u的加速电场 其初速度近似为0 然后经过s3间沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为b的匀强磁场中 最后打到照相底片d上 求 1 粒子进入磁场时的速率v 1 粒子在磁场中运动的轨道半径r 解 1 在s1 s2间 电场对粒子做功 由动能定理得 2 粒子垂直进入磁场 洛伦兹力提供向心力 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 2 直线加速器 多级加速 如图所示是多级加速装置的原理图 二 加速器 一 直线加速器 粒子在每个加速电场中的运动时间相等 因为交变电压的变化周期相同 3 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 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 二 回旋加速器 1932年 加利福尼亚大学的劳伦斯 1939年获得诺贝尔物理奖 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的回旋回速器投入运行 它能将质子加速到1mev 欧内斯特 奥兰多 劳伦斯 ernestorlandolawrence 1901 1958 1mev 106ev 回旋加速器的原理 两d形盒中有匀强磁场无电场 盒间缝隙有交变电场 电场使粒子加速 磁场使粒子回旋 粒子回旋的周期不随半径改变 让电场方向变化的周期与粒子回旋的周期一致 从而保证粒子始终被加速 带电粒子的最终能量 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 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形盒中的回旋次数越少 反之 加速电压越低 粒子在d形盒中回旋的次数越多 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 由可知 增强b和增大r可提高加速粒子的最终能量 与加速电压高低无关 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 例3 关于回旋加速器的工作原理 下列说法正确的是 a 电场用来加速带电粒子 磁场则使带电粒子回旋b 电场和磁场同时用来加速带电粒子c 同一加速器 对某种确定的粒子 它获得的最大动能由加速电压决定d 同一加速器 对某种确定的粒子 它获得的最大动能由磁感应强度b和加速电压决定 a 应用 回旋加速器 带电粒子在匀强磁场中运动 匀速直线运动 v b 匀速圆周运动 v b 规律 质谱仪 1 如图所示是科学史上一张著名的实验照片 显示一个带电粒子在云室中穿过某种金属板运动的径迹 云室放置在匀强磁场中 磁场方向垂直照片向里 云室中横放的金属板对粒子的运动起阻碍作用 分析此径迹可知粒子 a 带正电 由下往上运动b 带正电 由上往下运动c 带负电 由上往下运动d 带负电 由下往上运动 a 26 2 质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具 它的构造原理如图 离子源s产生的各种不同正离子束 速度可看作为零 经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场 到达记录它的照相底片p上 设离子在p上的位置到入口处s1的距离为x 可以判断 a 若离子束是同位素 则x越大 离子质量越大b 若离子束是