人教版物理选修3-1第三章第6节带电粒子在匀强磁场中运动课件(共62张).

带电粒子在匀强磁场中的运动猜想与假设V-F洛亥姆霍兹线圈电子枪磁场强弱选择挡加速电压选择挡洛伦兹力演示器实验：②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①加速电场：作用是改变电子束出射的速度判断下图中带电粒子（电量q，重力不计）所受洛伦兹力的大小和方向：-Bv+v×××××××××××××××××××××××××B匀速直线运动FF=0一、带电粒子在匀强磁场中的运动（重力不计）匀速圆周运动粒子运动方向与磁场有一夹角（大于0度小于90度）轨迹为螺线+一、带电粒子运动轨迹的半径匀强磁场中带电粒子运动轨迹的半径与哪些因素有关？思路:带电粒子做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力。可见r与速度V、磁感应强度B、粒子的比荷有关rvmqv2BqBmvr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C-e2v................BT=2πm/eB例2、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？veBmvr两个电子同时回到原来的出发点运动周期和电子的速率无关轨道半径与粒子射入的速度成正比v-e两个电子轨道半径如何？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？BTmvrTqm2qBvr2可知结合根据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例1．一个带负电粒子（质量为m，带电量为q），以速率v在磁感应强度为B的匀强磁场中做逆时针圆周运动（沿着纸面），则该匀强磁场的方向为垂直于纸面向里还是向外？粒子运转所形成的环形电流的大小为多大？-m，qvF=qvB................B匀强磁场的方向为垂直于纸面向外I=q/tI=q/TT=2π（mv/qB）/vvrT2rmvqvB2qBmvr2mTqBI=q/T=q2B/2πm1.一束带电粒子以同一速度，并从同一位置进入匀强磁场，在磁场中它们的轨迹如图所示.粒子q1的轨迹半径为r1，粒子q2的轨迹半径为r2，且r2＝2r1，q1、q2分别是它们的带电量.则q1带___电、q2带____电，荷质比之比为q1/m1:q2/m2＝___________.r1r2v2:1正负解:r=mv/qB∴q/m=v/Br∝1/r∴q1/m1:q2/m2=r2/r1=2:1返回2.如图所示，水平导线中有稳恒电流通过，导线正下方电子初速度方向与电流方向相同，其后电子将()(A)沿a运动，轨迹为圆；(B)沿a运动，曲率半径越来越小；(C)沿a运动，曲率半径越来越大；(D)沿b运动，曲率半径越来越小.bvaIC3.质子和氘核经同一电压加速，垂直进入匀强磁场中，则质子和氘核的动能E1、E2，轨道半径r1、r2的关系是()(A)E1＝E2，r1＝r2；(B)E1＝E2，r1＜r2；(C)E1＝E2，r1＞r2；(D)E1＜E2，r1＜r2.B返回带电粒子在无界匀强磁场中的运动F洛=0匀速直线运动F洛=Bqv匀速圆周运动F洛=Bqv⊥等距螺旋（0＜θ＜90°）V//BV⊥Bv与B成θ角mVRqB2mTqB在只有洛仑兹力的作用下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：Tt2qBmT2注意：θ用弧度表示几何法求半径向心力公式求半径利用v⊥R利用弦的中垂线确定带电粒子在磁场中运动轨迹的方法1、物理方法：作出带电粒子在磁场中两个位置所受洛仑兹力，沿其方向延长线的交点确定圆心，从而确定其运动轨迹。2、物理和几何方法：作出带电粒子在磁场中某个位置所受洛仑兹力，沿其方向的延长线与圆周上两点连线的中垂线的交点确定圆心，从而确定其运动轨迹。3、几何方法：①圆周上任意两点连线的中垂线过圆心②圆周上两条切线夹角的平分线过圆心③过切点作切线的垂线过圆心30°1.圆心在哪里?2.轨迹半径是多少?OBdv例3：r=d/sin30o=2dr=mv/qBt=（30o/360o）T=T/12T=2πm/qBT=2πr/v小结：rt/T=30o/360oA=30°vqvB=mv2/rt=T/12=πm/6qB3、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θ=?θt=T/12=πd/3vm=qBr/v=2qdB/vff1.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、600、900、1200、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。有界磁场问题：入射角300时qBmqBmt3261入射角1500时qBmqBmt35265例:如图所示，在第一象限有磁感应强度为B的匀强磁场，一个质量为m，带电量为+q的粒子以速度v从O点射入磁场，θ角已知，求粒子在磁场中飞行的时间和飞离磁场的位置（粒子重力不计）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：例5、如图所示，在半径为r的圆形区域内，有一个匀强磁场，一带电粒子以速度v0从M点沿半径方向射入磁场区，并由N点射出，O点为圆心，∠AOB=120°，求粒子在磁场区的偏转半径R及在磁场区中的运动时间。（粒子重力不计）rR60°30°r/R=tan30°R=rtan60°o't=（60o/360o）T=T/6T=2πR/v030°rR30336vrTtr/R=sin30°R/r=tan60°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vBqL/4mB．使粒子的速度v5BqL/4mC．使粒子的速度vBqL/mD．使粒子速度BqL/4mv5BqL/4m例题讲解反馈练习3．如图所示，M、N两板相距为d，板长为5d，两板不带电，板间有垂直纸面的匀强磁场，一大群电子沿平行于板的方向从各处位置以速率v0射入板间，为了使电子都不从板间穿出，磁感应强度B的大小范围如何？（设电子质量为m，电量为e，且N板接地）2rdrd/2mv0/qBd/2B2mv0q/dr1rr1r12=(5d)2+(r1-d)2r1=13dBqmv0/13dmq2vqUmv21SS221U可得：间，电场力做功获得能在qmU2B1rvqmvrrvmqv,v2可得：代入洛仑兹力提供向心力垂直进入磁场以速度BB可见半径不同意味着比荷不同，意味着它们是不同的粒子这就是质谱仪的工作原理一、质谱仪原理分析1、质谱仪:是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具2、工作原理将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场，由于粒子质量不同，引起轨迹半径不同而分开，进而分析某元素中所含同位素的种类质谱仪的两种装置⑴带电粒子质量m,电荷量q,由电压U加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场,设轨道半径为r,则有：NUOMB221mvqUrmvqvB2可得222rBUmq⑵带电粒子质量m,电荷量q,以速度v穿过速度选择器(电场强度E，磁感应强度B1),垂直进入磁感应强度为B2的匀强磁场.设轨道半径为r,则有：MB2EB1NqE=qvB1rmvqvB22可得：rBBEmq11均可测定荷质比1.加速器的种类有哪些?2.各自是如何实现对带电粒子加速的?3.各有什么优缺点?阅读课本P101思考下列问题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qUmv212+U+++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～直线加速器粒子在每个加速电场中的运动时间相等，因为交变电压的变化周期相同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=ΔEk②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，ΔEk=q（U1+U2+U3+U4+…Un）③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。P1图3.6-5多级加速器P2P3P4P5P6一级二级三级n级…①加速原理：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．11..结结构构：：①①两两个个DD形形盒盒及及两两个个大大磁磁极极②②DD形形盒盒间间的的窄窄缝缝③③高高频频交交流流电电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+-+-~不变无关、与TrvqBmT2问问题题11：：粒子被加速后，运动速率和运动半径都会增加，它的运动周周期期会会增增加加吗吗??回旋加速器问问题题22：：在回旋加速器中，如果两个D型盒不是分别接在高高频频交交流流电电源源的两极上，而是接在直直流流的两极上，那么带电粒子能否被加速？请在图中画出粒子的运动轨迹。回旋加速器问问题题33：：要使粒子每次经过电场都被加速，应在电极上加一个电压。交变回旋加速器根据下图，说一说为使带电粒子不断得到加速，提供的电压应符合怎样的要求？交变电压的周期TE=粒子在磁场中运动的周期TBDv=？UB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2DqBmvmqBDv2回旋加速器问问题题44：：已知D形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应强度为B，交变电压的电压为U，求：从出口射出时，粒子的速度v=?Dv=？UB2DqBmv221mvEKmDBqEK8222问问题题55：：已知D形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应强度为B，交变电压的电压为U，求:(1)从出口射出时，粒子的动能Ek=?(2)要增大粒子的最大动能可采取哪些措施?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?mDBqEK8222回旋加速器美国费米实验室加速器2.交变电场的周期和粒子的运动周期T相同----保证粒子每次经过交变电场时都被加速1.粒子在匀强磁场中的运动周期不变qBmT2＝回旋加速器3.带电粒子每经电场加速一次,回旋半径就增大一次,每次增加的动能为＝qUΔEK4.粒子加速的最大速度由盒的半径决定周期与速度和轨道半径无关带电粒子做匀速圆周运动的周期公式,qBmπT2带电粒子的周期在q、m、B不变的情况下与速度和轨道半径无关。因而圆运动周长qBmvπrπ22也将与v成正比例地增大，如果其他因素(q、m、B)不变,则当速率v加大时,qBmvr得知圆运动半径将与v成正比例地增大,由因此运动一周的时间（周期）仍将保持原值。最终能量粒子运动半径最大为D形盒的半径R带电粒子经加速后的最终能量：由qBmvR有,mqBRv所以最终能量为mqRBmvEk2212222讨论：要提高带电粒子的最终能量，应采取什么措施？回旋加速器加速的带电粒子,能量达到25MeV～30MeV后，就很难再加速了。1.在磁场中做圆周运动,周期不变2.每一个周期加速两次3.电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同4.电场一个周期中方向变化两次5.粒子加速的最大速度由盒的半径决定6.电场加速过程中,时间极短,可忽略结论１.关于回旋加速器的工作原理，下列说法正确的是：A、电场用来加速带电