高中物理 第三章 磁场 3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动课件 新人教版选修31.ppt

6带电粒子在匀强磁场中的运动 读一读 思一思 辨一辨 议一议 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边线平行的匀强磁场 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 读一读 思一思 辨一辨 议一议 2 洛伦兹力为什么不改变带电粒子的速度大小 答案 带电粒子所受的洛伦兹力总与速度垂直 在速度方向没有分量 所以洛伦兹力不改变速度的大小 即洛伦兹力不对带电粒子做功 不改变粒子的能量 3 为什么说垂直射入匀强磁场的带电粒子做匀速圆周运动 答案 洛伦兹力不改变粒子的速率 所以粒子运动的速率v是恒定的 这时洛伦兹力的大小不变 即带电粒子受到一个大小不变 方向总与粒子运动方向垂直的力 因此带电粒子做匀速圆周运动 其向心力就是洛伦兹力 读一读 思一思 辨一辨 议一议 4 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的半径r为多大 周期为多大 列出动力学方程并求解 5 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 读一读 思一思 辨一辨 议一议 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 参照课本质谱仪图 质谱仪由哪几部分组成 答案 由粒子源容器 加速电场 偏转磁场和底片组成 2 质谱仪是谁设计的 用它发现了什么元素 它有什么用处 答案 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 读一读 思一思 辨一辨 议一议 三 回旋加速器阅读教材第101 102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 读一读 思一思 辨一辨 议一议 1 思考辨析 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 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 读一读 思一思 辨一辨 议一议 4 回旋加速器的加速电压越高 带电粒子获得的最终动能越大 解析 带电粒子在回旋加速器中获得的最终动能与加速电压无关 答案 读一读 思一思 辨一辨 议一议 2 探究讨论 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 答案 根据公式 速度减小 粒子的半径减小 因为速度是不断减小的 所以半径也不断减小 故径迹呈螺旋形 2 回旋加速器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25 30mev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 探究一 探究二 探究三 当堂检测 问题导引 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 问题导引 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 问题导引 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v b时 带电粒子将做匀速直线运动 2 当v b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 问题导引 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 问题导引 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 问题导引 名师精讲 典例剖析 探究一 探究二 探究三 当堂检测 问题导引 名师精讲 典例剖析 探究一 探究二 探究三 当堂检测 问题导引 名师精讲 典例剖析 归纳总结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 问题导引 名师精讲 典例剖析 探究一 探究二 探究三 当堂检测 问题导引 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 问题导引 名师精讲 典例剖析 探究一 探究二 探究三 当堂检测 问题导引 名师精讲 典例剖析 探究一 探究二 探究三 当堂检测 问题导引 名师精讲 典例剖析 例题3 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 探究一 探究二 探究三 当堂检测 问题导引 名师精讲 典例剖析 解析 根据动能定理得 由题图结合左手定则可知 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 答案 c 探究一 探究二 探究三 当堂检测 问题导引 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 问题导引 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 问题导引 名师精讲 典例剖析 探究一 探究二 探究三 当堂检测 问题导引 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 问题导引 名师精讲 典例剖析 探究三 当堂检测 探究一 探究二 1 2 1 带电粒子在磁场中的运动 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p d m c n e pb 电子运动一周回到p点所用的时间c b1 4b2d b1 2b2 探究三 当堂检测 探究一 探究二 1 2 探究三 当堂检测 探究一 探究二 1 2 2 回旋加速器的原理 回旋加速器是用来加速一群带电粒子使它们获得很大动能