带电粒子在磁场中的运动.ppt

1、3.6 带电粒子在 匀强磁场中的运动,第三章 磁场,物理 选修3-1,第一课时,一、洛伦兹力的作用效果,（1）不改变速度大小只改变速度方向 （2）始终不做功,方向总是垂直B与V,(对匀强磁场和非匀强磁场都成立）,先研究最简单的只受洛伦兹力,在匀强磁场中运动,二、带电粒子在匀强磁场中的运动,说明:,1、理论推导,匀速直线运动,（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，粒子的速率变化么？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、

2、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,（1）受力：仅受洛伦兹力,（2）运动性质：匀速圆周运动，洛伦兹力提供做向心力,2、实验验证：,工作原理： (1)由电子枪发出的电子射线可以使管内的低压水银蒸汽发出辉光，显示出电子的径迹。,(2)两个平行的通电环形线圈可产生沿轴线方向的匀强磁场。磁场大小可通过电流大小调节，磁场方向通过电流方向调节。,洛伦兹力演示仪,结论： 带电粒子垂直进入磁场中，粒子在垂直磁场方向的平面内做匀速圆周运动，此洛伦兹力不做功。,实验现象：在暗室中可以清楚地看到，在没有磁场作用时，电子的径迹是直线；在管外加上

3、匀强磁场，电子的径迹变弯曲成圆形。,问题3：,一带电量q，质量m，速度v的带电粒子垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，其半径r和周期T为多大？,a、向心力的来源?,b、动力学方程,半径和周期公式,【例1】质子和粒子从静止开始经相同电压加速后垂直进入同一匀强磁场作圆周运动（磁场足够大，做完整的圆周） 求：(1)这两粒子的动能之比Ek1Ek2 (2)轨道半径之比r1r2 (3)周期之比T1T2,12,12,【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

4、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,D,A,U,S1,S2,S3,B,S1、S2为加速电场，P1、P2之间则为速度选择器,之后进入磁场运动。,V,+,f,F电,F电,f,二、质谱仪,质谱仪介绍： 质谱仪是由汤姆生的学生阿斯顿设计的。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。 用途： 经过多次改进，质谱仪已经成了一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。,练习： 1、匀强磁场中，有两个电子分别以速率v和2v沿垂直于磁场方向运动，哪个电子先回到原来的出发点？ 解因为电子在匀强磁场中的运动周期和电子的速率无关，所以两个电子同时回到

5、原来的出发点。 2、质子和一价钠离子分别垂直进入同一匀强磁场中做匀速圆周运动，如果它们的圆运动半径恰好相等，这说明它们在刚进入磁场时（ ） A、速率相等 B、mv大小相等 C、动能相等 D、质量相等,B,【问题】要认识原子核内部的结构，必须打开原子核。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，才能打开。这就需要把粒子加速。用什么方法可以加速带电粒子呢?,利用电场加速器,可以获得的动能: Ek=1/2mv2=qU,【改进】或许可以多加几个电场来对粒子进行加速呢?多级加速器（直线加速器）,1932年,美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器,1939年因为此项发明还获得了诺贝

6、尔物理学奖.,【改进】能否带电粒子在一次加速后转回来第二次再加速？往复转圈加速，加速器的占地空间将大为缩减。,组成: 两个D形盒 大型电磁铁 高频交流电源 电场作用： 用来加速带电粒子 磁场作用： 用来使粒子回旋从而能被反复加速,产生强磁场,产生加速电场,实物立体图,过程简图,从静止开始，在加速电场中加速,第一次经过偏转磁场，运动半周后离开,离开磁场时，加速电场的极性刚好反转，使进入电场后，再一次被加速,第二次进入偏转磁场，运动半周后离开,离开磁场时，加速电场的极性刚好又反转，使进入电场后，第三次被加速,动态模拟：回旋加速器原理,原理,用磁场控制轨道、用电场进行加速,问题1：随着加速，v不断增

7、大,粒子每次在匀强磁场中运动的周期T是否也增加？,问题3：粒子是否能被加速到速度无限大？,【思考讨论】,提示：当粒子不断加速， 每次进入偏转磁场的初速度要增大，此时在匀强磁场中运动的半径要增加。当半径等于D形盒的半径时，将射出匀强磁场。此时半径达到最大，速度也大最大。,问题2：为保证粒子每次经过电场时都能被加速，电场变化的周期T电应该如何控制？,1、交变电场的周期,2、粒子最后射出回旋加速器的速度（动能）大小由盒的半径决定。,结论：,等于粒子匀速圆周运动的周期,与加速电压无关！,回旋加速器 优点： 体积小,缺点：带电粒子的能量不能很高,我国1989年投入运行的高能粒子加速器北京正负离子对撞机,

8、全长200多米的直线加速器.它可使粒子的能量高达28亿电子伏特,直线加速器 优点:可以获得相当高能量的粒子,缺点:占地面积太大,【例3 】回旋加速器中，已知加速电压为U，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。粒子在加速电场中运动的时间忽略不计。求：,（1）粒子的圆周运动周期T,（2）交变电流的周期T电,（3）粒子的最大动能EKmax,（4）粒子被加速的次数n 及在匀强磁场中运动的 总时间t总,思考与讨论,若带电粒子进入匀强磁场中，速度与磁场方向成角（090）.则带电粒子怎样运动？,3、 一束几种不同的正离子, 垂直射入有正交的匀强磁场和匀强电场区域里, 离子束保持原