带电粒子在匀强磁场中的运动(开课课件).ppt

带电粒子在匀强磁场中的运动 提出问题 沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子 在匀强磁场中做什么运动 猜想与假设 欧洲大型强子对撞机 实验探究 实验探究 观察现象 1 不加磁场时观察电子束的径迹 2 给励磁线圈通电 在玻璃泡中产生沿两线圈中心连线方向的磁场 观察电子束的径迹 无磁场 实验探究 有磁场 实验结论 1 可以看到 在没有磁场作用时 电子的轨迹是直线 2 在管外加上垂直初速度方向的匀强磁场 电子的轨迹变弯曲成圆形 一 带电粒子在匀强磁场中的运动 1 垂直射入匀强磁场的带电粒子 它的初速度和所受洛伦兹力的方向都在跟磁场方向垂直的平面内 没有任何作用使粒子离开这个平面 所以粒子只能在这个平面内运动 2 由于洛仑兹力永远垂直于粒子的速度 对粒子不做功 它只改变粒子的运动方向 不改变其速度大小 因此粒子运动时速率不变 3 由于粒子速度大小不变 所以粒子在匀强磁场中所受洛仑兹力的大小也不改变 加之洛仑兹力总是与速度方向垂直 正好起到了向心力的作用 所以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 理论论证 实验探究 观察现象 3 保持出射电子的速度不变 改变磁感应强度 观察电子束径迹的变化 4 保持磁感应强度不变 改变出射电子的速度 观察电子束径迹的变化 实验探究 实验结论 3 保持出射电子的速度不变 磁感应强度越大 电子束径迹的半径越小 4 保持磁感应强度不变 出射电子的速度越大 电子束径迹的半径越大 一 带电粒子在匀强磁场中的运动 1 轨道半径 带电粒子只受洛伦兹力 作圆周运动 洛伦兹力提供向心力 解得 理论推导 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 一 带电粒子在匀强磁场中的运动 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 1 轨道半径 2 运行周期 周期跟轨道半径和运动速率均无关 例1 一个带电粒子沿垂直于磁场的方向射入一个匀强磁场 粒子后段轨迹如图所示 轨迹上的每一小段都可近似看成是圆弧 由于带电粒子使沿途的空气电离 粒子的能量逐渐减少 带电量不变 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 带电粒子在气泡室运动径迹的照片 1 不同带电粒子的径迹半径为何不同 2 同一径迹上为什么曲率半径越来越小 同一磁场中不同带电粒子的迹径不同 能否根据带电粒子的运动轨迹分辨比荷不同的粒子 质谱仪 是一种分析同位素 测定带电粒子比荷及测定带电粒子质量的重要工具 二 质谱仪 例2 一个质量为m 电荷量为q的粒子 从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场 其初速度几乎为零 然后经过S3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 1 求粒子进入磁场时的速率 2 求粒子在磁场中运动的轨道半径 可见半径不同意味着比荷不同 意味着它们是不同的粒子 测粒子比荷或计算粒子的质量 三 回旋加速器 要认识原子核内部的情况 必须把核 打开 进行 观察 然而 原子核被强大的核力约束 只有用极高能量的粒子作为 炮弹 去轰击 才能把它 打开 产生高能 炮弹 的 工厂 就是各种各样的粒子加速器 三 回旋加速器 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 一 直线加速器 3 困难 技术上不能产生过高电压 加速设备长 三 回旋加速器 一 直线加速器 二 回旋加速器 解决上述困难的一个途径是把加速电场 卷起来 用磁场控制轨迹 用电场进行加速 回旋加速器的核心部分是 形金属盒 两 形盒之间留有窄缝 中心附近放置离子源 如质子 氘核或粒子源等 在两 形盒间接上交流电源于是在缝隙里形成一个交变电场 形盒装在一个大的真空容器里 整个装置放在巨大的电磁铁两极之间的强大磁场中 这磁场的方向垂直于 形盒的底面 三 回旋加速器 原理 电场使粒子加速 磁场使粒子回旋 回旋周期 与半径 速度的大小无关 离盒时粒子的最大动能 与加速电压无关 由半径决定 三 回旋加速器 回旋加速器的局限性 1 D形盒半径不能无限增大 2 受相对论效应制约 质量随速度而增大 周期T变化 此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的能量 为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖 三 回旋加速器 四 霍尔效应 1879年霍耳发现 把一载流导体放在磁场中 如果磁场方向与电流方向垂直 则在与磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势差 这一现象称之为霍耳现象 四 霍尔效应 如图 导电板高度为b厚度为d放在垂直于它的磁场B中 当有电流I通过它时 由于磁场使导体内移动的电荷发生偏转 结果在A A 两侧分别聚集了正 负电荷 在导电板的A A 两侧会产生一个电势差U 设导电板内运动电荷的平均定向速率为u 它们在磁场中受到的洛仑兹力为 当导电板的A A 两侧产生电势差后 运动电荷会受到电场力 导电板内电流的微观表达式为 由以上各式解得 其中叫霍尔系数 例3 我国第21次南极科考队在南极观看到了美丽的极光 极光是由来自太阳的高能量带电粒子流高速冲进高空稀薄大气层时 被地球磁场俘获 从而改变原有运动方向 向两极做螺旋运动 如图5所示 这些高能粒子在运动过程中与大气分子或原子剧烈碰撞或摩擦从而激发大气分子或原子 使其发出有一定特征的各种颜色的光 地磁场的存在 使多数宇宙粒子不能到达地面而向人烟稀少的两极偏移 为地球生命的诞生和维持