《带电粒子在匀强磁场中的运动》新人教版综合自用版).ppt

第三章 磁场 第六节 带电粒子在匀强磁场中的运动 复习 问题1 什么是洛伦兹力 问题1 带电粒子在磁场中是否一定受到洛伦兹力 磁场对运动电荷的作用力 不一定 洛伦兹力的计算式F洛 qVBsin 讨论 若带电粒子 不计重力 以沿着与匀强磁场垂直的方向射入磁场 粒子将如何运动 2 洛伦兹力的方向总是与速度方向垂直 洛伦兹力只会改变粒子速度的方向 不会改变其大小 1 由于是匀强磁场 洛伦兹力大小保持不变 猜想与假设 讨论 若带电粒子 不计重力 以沿着与匀强磁场垂直的方向射入磁场 粒子将如何运动 2 洛伦兹力的方向总是与速度方向垂直 洛伦兹力只会改变粒子速度的方向 不会改变其大小 1 由于是匀强磁场 洛伦兹力大小保持不变 3 该带点粒子将会做匀速圆周运动 洛伦兹力提供向心力 洛伦兹力演示器 实验 励磁线圈 作用是能在两线圈之间产生平行于两线圈中心的连线的匀强磁场 加速电场 作用是改变电子束出射的速度 无磁场 实验验证 有磁场 实验现象 1 不加磁场时电子的径迹是直线 2 加上匀强磁场时 电子的径迹变弯曲成圆形 3 磁场越强 径迹的半径越小 4 电子的出射速度越大 径迹的半径越大 一 带电粒子运动轨迹 1 圆周运动的半径 2 圆周运动的周期 总结 由1式可知 粒子速度越大 轨迹半径越大 磁场越强 轨迹半径越小 由2式可知 粒子运动的周期与粒子的速度大小无关 磁场越强 周期越短 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 例1 一个带电粒子 沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场 粒子的一段径迹如下图所示 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 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 例2 如图所示 在垂直纸面向里的匀强磁场中 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的轨迹是一对内切圆 且b的半径大D a b的轨迹是一对外切圆 且b的半径大 例3 一带电粒子在磁感强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动 如它又顺利进入另一磁感强度为2B的匀强磁场中仍做匀速圆周运动 则A 粒子的速率加倍 周期减半B 粒子的速率不变 轨道半径减半C 粒子的速率减半 轨道半径变为原来的1 4D 粒子速率不变 周期减半 例4 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 应用 质谱仪 通过测出粒子圆周运动的半径 计算粒子的比荷或质量及分析同位素的仪器 二 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时周期 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时周期有何特征 可见同一个粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期与速度无关 回旋加速器就是根据这一特点设计的 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 二 加速器 直线加速器 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 直线加速器 斯坦福大学的加速器 多级直线加速器有什么缺点 直线加速器 利用加速电场对带电粒子做正功 使带电的粒子动能增加 即qU Ek 直线加速器的多级加速 教材图3 6 5所示的是多级加速装置的原理图 由动能定理可知 带电粒子经n级的电场加速后增加的动能 Ek q U1 U2 U3 U4 Un 直线加速器占有的空间范围大 在有限的空间内制造直线加速器受到一定的限制 加速原理 2 回旋加速器 1932年 美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器 从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步 为此 劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖 回旋加速器 回旋加速器 1 作用 产生高速运动的粒子 2 原理 用磁场控制轨道 用电场进行加速 解 当粒子从D形盒出口飞出时 粒子的运动半径 D形盒的半径 回旋加速器 回旋加速器 问题6 D越大 EK越大 是不是只要D不断增大 EK就可以无限制增大呢 回旋加速器 美国费米实验室加速器 回旋加速器 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 在磁场中做圆周运动 周期不变每一个周期加速两次电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同电场一个周期中方向变化两次粒子加速的最大速度由盒的半径决定电场加速过程中 时间极短 可忽略 结论 7 粒子获得的最大动能只与加速器的半径R和磁感应强度B有关 与加速电压U无关 例3 关于回旋加速器的工作原理 下列说法正确的是 例4 垂直纸面向外的匀强磁场仅限于宽度为d的条形区域内 磁感应强度为B 一个质量为m 电量为q的粒子以一定的速度垂直于磁场边界方向从 点垂直飞入磁场区 如图所示 当它飞离磁场区时 运动方向偏转 角 试求粒子在磁场中运动的时间t 三 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的时间 四 带电粒子在磁场中运动情况研究 1 找圆心 方法2 定半径 3 确定运动时间 注意 用弧度表示 30 1 圆心在哪里 2 轨迹半径是多少 思考 O B v 例3 r d sin30o 2d r mv qB t 30o 360o T T 12 T 2 m qB T 2 r v 小结 r t T 30o 360o A 30 v qvB mv2 r t T 12 m 6qB 3 偏转角 圆心角 1 两洛伦兹力的交点即圆心 2 偏转角 初末速度的夹角 4 穿透磁场的时间如何求 3 圆心角 f f 如图 虚线上方存在无穷大的磁场 一带正电的粒子质量m 电量q 若它以速度v沿与虚线成300 900 1500 1800角分别射入 请你作出上述几种情况下粒子的轨迹 并求其在磁场中运动的时间 例 有界磁场中粒子运动轨迹的确定 入射角300时 入射角1500时 粒子在磁场中做圆周运动的对称规律 从同一直线边界射入的粒子 从同一边界射出时 速度与边界的夹角相等 1 两个对称规律 五 临界问题 例 长为L的水平极板间 有垂直纸面向内的匀强磁场 如图所示 磁感强度为B 板间距离也为L 板不带电 现有质量为m 电量为q的带正电粒子 不计重力 从左边极板间中点处垂直磁感线以速度v水平射入磁场 欲使粒子不打在极板上 可采用的办法是 A 使粒子的速度v5BqL 4mC 使粒子的速度v BqL mD 使粒子速度BqL 4m v 5BqL 4m 例题讲解 北京正负电子对撞机 撞出物质奥秘 大科学装置的存在和应用水平 是一个国家科学技术发展的具象 它如同一块巨大的磁铁 能够集聚智慧 构成一个多学科阵地 作为典型的大科学装置 北京正负电子对撞机的重大改造工程就是要再添磁力 北京正负电子对撞机在我国大科学装置工程中赫赫有名 为示范之作 1988年10月16日凌晨实现第一次对撞时 曾被形容为 我国继原子弹 氢弹爆炸成功 人造卫星上天之后 在高科技领域又一重大突破性成就 北京正负对撞机重大改造工程的实施 将让这一大科学装置 升级换代 继续立在国际高能物理的前端 北京正负电子对撞机重大改造工程完工后 将成为世界上最先进的双环对撞机之一 世界上最大 能量最高的粒子加速器 欧洲大型强子对撞机 世界最大对撞机启动模拟宇宙大爆炸中国参与研究 这项实验在深入地底100米 长达27公里的环型隧道内进行 科学家预计 粒子互相撞击时所产生的温度 比太阳温度还要高10万倍 就好比137亿年前宇宙发生大爆炸时那一剎