高中物理《带电粒子在匀强电场中的运动》教案14 新人教版选修3-1

用心 爱心 专心1 第六节第六节 带电粒子在匀强磁场中的运动带电粒子在匀强磁场中的运动 三维目标 知识与技能 理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度方向垂直时 在匀强磁场中做匀速圆周运动 熟练掌握 带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动 的基本规律 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 学会解答有关问题 知道质谱仪的工作原理及旋加速器的基本构造 工作原理及用途 过程与方法 通过学习质谱仪的工作原理 让学生认识先进科技的发展 有助于培养学生对物理的学习兴 趣 培养分析物理问题的能力 掌握构建物理图景的分析方法 综合运用力学知识 电磁学 知识解决带电粒子在复合场 电场 磁场 中的问题 情感态度与价值观 通过对本节的学习 充分了解科技的巨大威力 体会科技的创新历程 教学重点 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期公式 并能分析有关问题 教学难点 1 带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动的基本规律 qvB mv2 r 2 综合运用力学知识 电磁学知识解决带电粒子在复合场中的问题 教具 洛伦兹力演示仪 感应线圈 电源 多媒体等 教学过程 复习旧知 引入新课 问题 1 什么是洛伦兹力 洛伦兹力产生的条件 磁场对运动电荷的作用力 问题 2 洛伦兹力的大小和方向如何确定 洛伦兹力有什么特点 左手定则 方向 F qvBsin 为电荷运动方向与磁场方向的夹角 90 F qvB 0 F 0 大小 引入 带电粒子进入匀强磁场时将做什么运动呢 今天我们就来讨论 带电粒子在匀强磁场 中的运动 二 新课教学 一 带电粒子在匀强磁场中的运动 重力不计 1 带电粒子平行射入匀强磁场的运动状态 匀速直线运动 2 带电粒子垂直射入匀强磁场的运动状态 匀速圆周运动 3 在匀强磁场中做匀速圆周运动 的半径 r 和周期 T 与速度 v 磁场强度 B 的关系 1 圆周运动的半径 2 圆周运动的周期 二 实验验证 洛伦兹力演示仪 结构 电子枪 射出电子 加速电场 作用是改变电子束出射的速度 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 2 v qvBm R mv R qB 2 R T v 2 m T qB 用心 爱心 专心2 2 实验结论 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 磁场强度不变 粒子射入的速度增加 轨道半径也增大 粒子射入速度不变 磁场强度增大 轨道半径减小 练习 1 如图所示 一束电子 电量为 e 以速度 V 垂直射入磁感应强度为 B 宽度为 d 的匀 强磁场 穿透磁场时的速度与电子原来的入射方向的夹角为 300 求 1 电子的质量 m 2 电子在磁场中的运动时间 t 练习 2 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 磁场强度为 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场以速度 v 平行极板射 入磁场 欲使粒子不打在极板上 则粒子入射速度 v 应满足什么条件 过渡 如果欲使粒子直线飞出 怎么办呢 加电场 E 三 应用 1 速度选择器 选择 V E B 的粒子如图所示为一速度选择器 也称为滤速器的原理图 K 为电子枪 由枪中沿水平方向射出的 电子 速率大小不一 当电子通过方向互相垂直的均匀电场和磁 场后 只有一定速率的电子能沿直线前进 并通过小孔 S 设产 生匀强电场的场强为 E 垂直纸面的匀强磁场的 磁感应强度为 B 问 速度为多大的 电子才能通过小孔 S 问题 1 请在上图中画出带电粒子的受力分析图 正电荷 负电荷 问题 2 带电粒子 匀速通过速度选择器的条件 问题 3 当进入速度选择器的带电粒子的速度大于 E B 及小 于 E B 会如何 问题 4 假如粒子以速度 E B 从右侧飞入速度选择器还能匀速通过它吗 对于以不同速度进入空间的粒子而言 只有满足二力平衡作匀速直线运动才能够从另一侧的 小孔穿出 F Eq qvB 则只有当满足 V E B 的粒子才能穿过空间区域 也就达到了速度选择 的目的 与质量 电量无关 练习 假若使一束质子 反质子 粒子和反 粒子组成的射线在正交电磁场中沿直线 00 从 O 点进入匀强磁场 B2 而形成四条径迹 如图所示 金榜 93 页第三题 A 在 O 点各粒子的动量 P mv 相等 B 在 O 点各粒子的动能相等 C 1 是反质子的径迹 D 4 是反 粒子的径迹 过渡 从结果可以看出 穿过速度选择器的不同的带电粒子速度均相等 如 果粒子的比荷 q m 不同 它们进入磁场后将沿着不同的半径做圆周运动 因而打到底板的不同位置 如果底板是照相底片 那么 从粒子打在底片的 位置可以测量出圆周的半径 r 进而可以算出粒子的比荷 q m 或算出它的质量 这样的仪器 称为质谱仪质谱仪 测量带电粒子质量和分析同位素例题 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 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 粒子进入磁场的速率 2 求粒子在磁场中运 动的轨道半径 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 现在的质谱仪已经是一种十分精密的仪器 是测量带电粒子质量和分析同位素的重 K O 用心 爱心 专心3 要工具 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 产生这些高能 炮弹 的 工厂 就是各种各样的粒子加速器 用什么方法可以使带电粒子加速呢 用这种方法粒子获得的能量很有限 一般只能达到几十万到几兆电子伏 能否采用多级加速呢 多级加速虽然可以使带电粒子获得很高的能量 但体积太大 能否可 寻找一种既能使带电粒子实现多级加 速 又不必增加设备长度的方法呢 如果带电粒子在一次加速后又转回来 被第二次加速 如此往复 转圈圈 式地被加速 加速器装置所占的空间不是会大大缩小吗 而磁场正好能使带电粒子 转圈圈 于是 人们依据这个思路设计出了用磁场控制轨道 用电场进行加速的 例题 回旋加速器中磁场的磁感应强度为 B D 形盒的直径为 d 用该回旋加速器加速质量为 m 电量为 q 的粒子 设粒子加速前的初速度为零 求 1 粒子的回转周期是多大 2 高频电极的周期为多大 3 粒子的最大动能是多大 4 粒子在同一个 D 形盒中相邻两条轨道半径之比 1 作用 产生高速运动的粒子1 两 D 形盒中有匀强磁场无电场 盒间缝隙有交变电场 2 交变电场的周期等于粒子做匀速圆周运动的周期 3 粒子最后出加速器的速度大小由盒的半径及磁感应强度决定 3 注意 1 带电粒子在匀强磁场中的运动周期 跟运动速率和轨道半径无关 对于一定的带电粒子和一定的磁感应强度来说 这个周期是恒定的 2 交变电场的往复变化周期和粒子的运动周期 T 相同 这样就可以保证粒子在每次经过交 变电场时都被加速 3 由于侠义相对论的限制 回旋加速器只能把粒子加速到一定的能量 三 巩固练习 1 经过回旋加速器加速后 带电粒子获得的动能 A 与 D 形盒的半径有关 B 与高频电 源的电压有关 C 与两个 D 形盒间的窄逢的宽度有关 D 与 D 形盒内磁感应强度有关 2 一回旋加速器 当外加磁场一定时 可把质子加速到 V 使它获得的能量为 EK 在不考虑 相对论效应的情况下 则 1 能把 粒子加速到的速度为 多少 2 能使 粒子获得的动能为多少 2 1 2 Uqmv 2 m T qB 用心 爱心 专心4 3 加速 粒子的交变电场频率与加速质子的交变电场频率之比为多少 3 1 价 质量为 m 的离子 由回旋加速器加速到的最大能量为 E D 形盒的半径为 R 磁场 的磁感应