第六节：带电粒子在匀强磁场中的运动.ppt

第六节带电粒子在匀强磁场中的运动 讨论与交流 一个带电粒子分别以平行 垂直和倾斜于磁场方向的初速度进入匀强磁场 它在磁场中各做什么运动 一 带电粒子在磁场中的运动 1 平行 进入 2 垂直 进入 B 2 垂直 进入 B v f v 实验验证 实践是检验真理的唯一标准 观察与思考 猜想 1 未加磁场时 电子束的径迹怎样 为什么 加上匀强磁场时 令电子束垂直地射入磁场 其径迹又怎样 为什么 加上匀强磁场 电子运动方向与磁场平行电子束的径迹怎样 为什么 介绍洛伦兹力演示仪 总结与交流 一高速电子射入匀强磁场 它在磁场中受力如何 如何运动 忽略重力影响 1 平行 进入 2 垂直 进入 做匀速直线运动 做平抛运动 做匀速圆周运动 提示 注意物体运动性质的分析方法 粒子的初速v垂直于B 粒子作匀速圆周运动 讨论 若带电粒子质量为m 电荷量为q 粒子以垂直于磁场的初速度v进入匀强磁场 已知磁场的磁感应强度为B 你能求出带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径和周期吗 半径与速度大小成正比 周期与速度大小无关 讨论与交流 从半径和周期公式你发现有何规律 应用1 如图所示 在垂直纸面向里的足够大的匀强磁场中 有a b两个电子从同一处沿垂直磁感线方向开始运动 a的初速度为v b的初速度为2v 则 A a先回到出发点B b先回到出发点C a b同时回到出发点D 不能确定 C 应用2 一个带电粒子沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场 粒子的一段径迹如图所示 径迹上的每一小段都可近似看成圆弧 由于带电粒子使沿途的空气电离 粒子的能量逐渐减小 粒子的带电量不变 从图中的情况可以确定 A 粒子从a到b 带正电B 粒子从a到b 带负电C 粒子从b到a 带正电D 粒子从b到a 带负电 C 3 如果电荷的运动方向与磁场的方向既不平行 也不垂直时 电荷所受洛伦兹力情况如何 3 倾斜 进入 B V 3 倾斜 进入 4 继续讨论与交流 1 带电粒子在电场中的运动情况如何 2 带电粒子在电场和磁场共同存在的区域运动情况又怎样 1 课本P102 T1 T2做在练习本上 作业 2 完成 达标训练 P151 152训练63 学案做到P684 预习P69 70学案7 二 质谱仪 结构与原理 加速电场 使带电粒子加速 速度选择器 选择粒子 选出的粒子v E B1 偏转磁场区 使带电粒子轨迹发生偏转 并被拍照 因偏转半径r mv qB2 故荷质比为q m E B1B2r 研究同位素 测荷质比 的装置 同位素 电荷量相同 质量有微小差别的元素 质谱仪是由汤姆生的学生阿斯顿 F W Aston 1877 1945 发明的 他用质谱仪首先得到了氖 20和氖 22的质谱线 证实了同位素的存在 阿斯顿因发明质谱仪和发现非放射性元素的同位素等贡献而获得1922年度诺贝尔化学奖 如何敲开原子核的大门 要认识原子核内部的情况 必须把核 打开 进行 观察 然而 原子核内部的质子和中子间有强大的核力 只有用极高能量的粒子作为 炮弹 去轰击 才能把它 打开 产生这些高能炮弹的 工厂 就是各种各样的粒子加速器 提升加速电压可以得到高能粒子 然而产生过高电压的电压的技术是很困难的 多级加速之直线加速器 由在高真空隧道内中N个共轴金属圆筒构成 每次粒子到达筒间间隙时 筒间有加速电场 筒内没有电场 粒子在筒内做匀速直线运动 产生电场的电源是交流电源 缺点 占空间大 为了解决上述矛盾 1930年美国加利福尼亚州伯克利加州大学的劳伦斯 ErnestOrlandoLawrence 1901 1958 制成了世界上第一台回旋加速器 其真空室的直径只有10 2cm 此后 劳伦斯经过改进又制成了实用的回旋加速器 他因发明和发展了回旋加速器获得1939年度诺贝尔物理学奖 带电粒子每旋转半周到达空隙 即被加速 三 回旋加速器 结构与原理 回旋 区 两个D形盒子处于真空 匀强磁场中 加速区 两个D形盒子之间的空隙空隙间有交变电场 粒子速度增大 旋转半径也增大 但运转周期不变 使带电粒子获得高能量的装置 回旋加速器 讨论与交流1 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时 如因速率v增大引起r增大 其运动周期T是否变化 盒缝宽度远小于盒半径 粒子通过盒缝的时间可以忽略 为使带电粒子每次经过两D形盒的间隙时 恰能受到电场力作用且加速 高频电源的周期T和频率f应符合什么要求 讨论与交流2 设回旋加速器D形盒的半径为R 匀强磁场的磁感应强度为B 则该回旋加速器最多可以将质量为m 电荷量为q的带电粒子加速到多大的速度 其最大速度取决于什么 20世纪30年代末期 科学家们发现 被回旋加速器加速的粒子的最大能量是受到限制的 其主要原因是相对论效应 当能量很高时 粒子速度非常大 其质量增大就不能忽略了 因此 粒子绕行一周所需的时间也逐渐增大了 如果高频电压的频率保持不变 电场力就可能会对粒子的运动起阻碍作用 回旋加速器的改进 一种改进方案是在保持磁场不变的情况下 令高频电压的频率随粒子速度的增加而减小 使其与粒子做圆周运动的频率保持同步 从而使电场力总是起到加速粒子的作用 按这一原理设计的加速器称为同步回旋加速器 另一种改进方案是让磁感强度随粒子动量的增加而同步增大 使得粒子能够保持在固定的圆周上运动 同时 还要保证加速电场的频率与粒子做圆周运动的频率同步变化 由于粒子始终在一个圆形轨道上运动 磁场区域可以大为缩小 因此磁铁的重量也大为减轻 这种加速器称为同步加速器 目前最大的加速器是美国费米国家加速器实验室的一台质子同步加速器 它可以把质子加速到1000Gev 跨国的加速器 其它领域 磁流体发电机 教材P98第4题磁流体发电机是一种直接将内能转化成电能的装置 若等离子气体的速度为v 磁场的磁感应强度为B 试讨论该发电机的电动势 空载电压 中国三大高能物理研究装置 1 北京正负电子对撞机 始建于1984年10月7日 1988年10月建成 包括正负电子对撞机 北京谱仪 大型粒子探测器 和北京同步辐射装置 北京正负电子对撞机的建成 为我国粒子物理和同步辐射的应用研究开辟了广阔的前景 它的主要性能指标达到20世纪80年代国际先进水平 一些性能指标迄今仍然是国际同类装置中最好的 2 合肥同步辐射装置 始建于1984年4月 1989年4月26日正式建成 迄今已建成5个实验站 接待了大量国内外用户 取得了大量有价值的成果 3 兰州重离子加速器 我国自行研制的第一台重离子加速器 同时也是我国到目前为止最高 可加速的粒子种类最多 规模最大的重离子加速器 这是在世界上继法国 日本之后的第三台同类大型回旋加速器 于1989年11月投入正式运行 主要指标达到国际先进水平 图4 本课小结 一 带电粒子在磁场中的运动 平行磁感线进入 做匀速直线运动 垂直磁感线进入 做匀速圆周运动 二 质谱仪 研究同位素 测荷质比 的装置 由加速电场 速度选择器 偏转磁场组成 三 回旋加速器 使带电粒子获得高能量的装置 由D形盒 高频交变电场等组成 思考与交流 1 如图所示 回旋加速器的两D形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中 设匀强磁场的磁感应强度为B D形金属盒的半径为R 狭缝间的距离为d 加速电压为U 若要增大带电粒子 电荷量为q 质量为m 不计重力 射出时的动能 则下列方法哪些可行 CD A 增大匀强电场间的加速电压B 减小狭缝间的距离C 增大磁场的磁感应强度D 增大D形金属盒的半径 2 如图为质谱仪的原理图 电荷量为q 质量为m的带正电粒子从静止开始经过电势差为U的加速电场加速后 进入粒子速度选择器 选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场 匀强电场的场强为E 方向水平向右 已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器 从G点垂直于MN进入偏转磁场 该偏转磁场是一个以直线MN为上边界 方向垂直于纸面向外的匀强磁场 带电粒子经偏转磁场后 最终到