带电粒子在匀强磁场中

36带电粒子在匀强磁场中的运动复习：1、洛伦兹力产生的条件？2、洛伦兹力的大小和方向如何确定？3、洛伦兹力有什么特点？射入匀强磁场中的带电粒子将做怎样的运动呢？思考：一、带电粒子在匀强磁场中的运动带电粒子平行B射入匀强磁场的运动状态？（重力不计）问题1：问题2：带电粒子垂直B射入匀强磁场的运动状态？（重力不计）匀速直线运动1、理论推导（1）洛伦兹力的方向与速度方向的关系（2）带电粒子仅在洛伦兹力的作用下，粒子的速率变化吗？能量呢？（3）洛伦兹力如何变化？（4）从上面的分析，你认为垂直于匀强磁场方向射入的带电粒子，在匀强磁场中的运动状态如何？——垂直——不变大小不变，方向在不断变化匀速圆周运动一、带电粒子在匀强磁场中的运动1、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问题3：推导粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径r和运动周期T，与粒子的速度v和磁场的强度B的关系表达式1）圆周运动的半径2）圆周运动的周期粒子做匀速圆周运动所需的向心力F=m是由粒子所受的洛伦兹力提供的，2、实验验证（1）洛伦兹力演示仪③励磁线圈（亥姆霍兹线圈）：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加速电场：作用是改变电子束出射的速度①电子枪：射出电子（2）实验演示a、不加磁场时观察电子束的径迹b、给励磁线圈通电，观察电子束的径迹c、保持初射电子的速度不变，改变磁感应强度，观察电子束径迹的变化d、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（3）实验结论①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。②磁场强度不变，粒子射入的速度增加，轨道半径也增大。③粒子射入速度不变，磁场强度增大，轨道半径减小。同学们了解物理学中研究带电粒子运动的方法。在现代物理学中，人们为探索原子核内部的构造，需要用能量很高的带电粒子去轰击原子核，如何才能使带电粒子获得巨大能量呢？如果用高压电源形成的电场对电荷加速，由于受到电源电压的限制，粒子获得的能量并不太高。美国物理学家劳伦斯于1932年发明了回旋加速器，巧妙地利用较低的高频电源对粒子多次加速使之获得巨大能量，为此在1939年劳伦斯获诺贝尔物理奖。那么回旋加速器的工作原理是什么呢？阅读教材有关内容，了解各种加速器的发展历程，体会回旋加速器的优越性。二、实际应用（一）回旋加速器1、作用：产生高速运动的粒子2、原理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决定。4）说明（1）在狭缝A′A′与AA之间，有方向不断做周期变化的电场，其作用是当粒子经过狭缝时，电源恰好提供正向电压，使粒子在电场中加速。狭缝的两侧是匀强磁场，其作用是当被加速后的粒子射入磁场后，做圆运动，经半个圆周又回到狭缝处，使之射入电场再次加速。（2）粒子在磁场中做圆周运动的半径与速率成正比，随着每次加速，半径不断增大，而粒子运动的周期与半径、速率无关，所以每隔相同的时间（半个周期）回到狭缝处，只要电源以相同的周期变化其方向，就可使粒子每到狭缝处刚好得到正向电压而加速。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。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（二）质谱仪测量带电粒子的质量分析同位素二、实际应用例题：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（如图）（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。【例1】一个负离子，质量为m，电量大小为q，以速率v垂直于屏S经过小孔O射入存在着匀强磁场的真空室中，如图所示。磁感应强度B的方向与离子的运动方向垂直，并垂直于图中纸面向里。（1）求离子进入磁场后到达屏S上时的位置与O点的距离。（2）如果离子进入磁场后经过时间t到达位置P，证明：直线OP与离子入射方向之间的夹角θ跟t的关系是OBSvθP解析：（1）离子的初速度与匀强磁场的方向垂直，在洛仑兹力作用下，做匀速圆周运动。设圆半径为r，则据牛顿第二定律可得：，解得解得如图所示，离了回到屏S上的位置A与O点的距离为：AO=2r所以（2）当离子到位置P时，圆心角：因为所以【例2】如图所示，半径为r的圆形空间内，存在着垂直于纸面向里的匀强磁场，一个带电粒子（不计重力），从A点以速度v0垂直磁场方向射入磁场中，并从B点射出，∠AOB=120°，则该带电粒子在磁场中运动的时间为_______A．2πr/3v0 B．2πr/3v0C．πr/3v0 D．πr/3v0解析：首先通过已知条件找到所对应的圆心O′，由图可知θ=60°，得t=，但题中已知条件不够，没有此选项，必须另想办法找规律表示t，由圆周运动和。其中R为AB弧所对应的轨道半径，由图中ΔOO′A可得R=r，所以t=r×π/3r0，D选项正确。答案：DdBeθv1、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:电子的质量m=2电子在磁场中的运动时间t=课堂练习

2、如图所示，在半径为R的圆的范围内，有匀强磁场，方向垂直圆所在平面向里．一带负电的质量为m电量为q粒子，从A点沿半径AO的方向射入，并从C点射出磁场．∠AOC＝120o．则此粒子在磁场中运行的时间t＝__________．不计重力．ABRvvO120°C3、如图所示，在直线MN的右侧有磁感应强度为B的匀强磁场，方向垂直向里。电子电量e、质量m以速度v从MN上的孔A，垂直于MN方向射入匀强磁场，途经N上的C点、已知AP连线与速度方向的夹角为θ，不计重力。求（1）A、C之间的距离（2）从A运动到P点所用的时间。ANMPvθ4、如图所示，一带正电粒子质量为m，带电量为q，从隔板ab上一个小孔P处与隔板成45°角垂直于磁感线射入磁感应强度为B的匀强磁场区，粒子初速度大小为v，则1粒子经过多长时间再次到达隔板？2到达点与P点相距多远？（不计粒子的重力）abPv5、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