三中物理：3.6《带电粒子在匀强磁场中的运动》PPT课件(新人教版 选修3-1)

高中物理新人教版选修３-１系列课件第三章《磁场》第六节《带电粒子在匀强磁场中的运动》教学目标•（一）知识与技能•1、知道什么是洛伦兹力.利用左手定则判断洛伦兹力的方向.•2、知道洛伦兹力大小的推理过程.•3、掌握垂直进入磁场方向的带电粒子，受到洛伦兹力大小的计算.•4、了解v和B垂直时的洛伦兹力大小及方向判断.理解洛伦兹力对电荷不做功.•5、了解电视显像管的工作原理•（二）过程与方法•通过观察，形成洛伦兹力的概念，同时明确洛伦兹力与安培力的关系(微观与宏观)，洛伦兹力的方向也可以用左手定则判断。通过思考与讨论，推导出洛伦兹力的大小公式F=qvBsinθ。最后了解洛伦兹力的一个应用——电视显像管中的磁偏转。•（三）情感态度与价值观•引导学生进一步学会观察、分析、推理，培养学生的科学思维和研究方法。让学生认真体会科学研究最基本的思维方法:“推理—假设—实验验证”。•二、重点与难点：•重点：1.利用左手定则会判断洛伦兹力的方向.•2.掌握垂直进入磁场方向的带电粒子，受到洛伦兹力大小的计算.•这一节承上(安培力)启下(带电粒子在磁场中的运动)，是本章的重点•难点：1.洛伦兹力对带电粒子不做功.•2.洛伦兹力方向的判断.•三、教具：电子射线管、高压电源、磁铁、多媒体第１课时3、某些带电体是否考虑重力，要根据题目暗示或运动状态来判定磁场中的带电粒子一般可分为两类：1、带电的基本粒子：如电子，质子，α粒子，正负离子等。这些粒子所受重力和洛仑磁力相比在小得多，除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。（但并不能忽略质量）。2、带电微粒：如带电小球、液滴、尘埃等。除非有说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。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一、运动形式1、匀速直线运动。2、励磁线圈(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如果带电粒子射入匀强磁场时,初速度方向与磁场方向垂直,粒子仅在洛伦兹力的作用下将作什么运动?一.带电粒子在匀强磁场中的运动当带电粒子q以速度v垂直进入匀强磁场中，它将做什么运动?带电粒子将在垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动。1、圆周运动的半径mvRqB2、圆周运动的周期2mTqB2vqvBmR2RTv思考：周期与速度、半径什么关系？粒子运动方向与磁场有一夹角（大于0度小于90度）轨迹为螺线通过威尔逊云室显示的正负电子在匀强磁场中的运动径迹通过格雷塞尔气泡室显示的带电粒子在匀强磁场中的运动径迹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，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。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.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3、基本原理将质量不等、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，由于粒子动量不同，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4、推导212qUmv加速：12mvRdqB偏转：1122mURdBq2.构造：由加速电场、速度选择器、偏转磁场组成练习2氘核和α粒子，从静止开始经相同电场加速后，垂直进入同一匀强磁场作圆周运动.则这两个粒子的动能之比为多少？轨道半径之比为多少？周期之比为多少？练习1．如图，一束具有各种速率的带正一个元电荷的两种铜离子质量分别为m1和m2,水平地经小孔S进入有互相垂直的匀强电场和匀强磁场的区域，其中磁场、电场方向如图，只有那些路径不发生偏转的离子才能通过另一小孔进入匀强磁场中，此后两种离子将沿不同路径做圆周运动,到达底片P时两离子间距为d，求此d值。•已知：E=1.00☓105V/m•B=0.40T•B′=0.50T•m1=63☓1.66☓10-27kg•m2=65☓1.66☓10-27kgB,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)．ABRvvOCdBeθv1、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=?练习教材P102页第1,2,3本课小结：一、带电粒子在磁场中的运动平行磁感线进入：做匀速直线运动垂直磁感线进入：做匀速圆周运动半径：R＝mvqB周期：T＝2πmqB二、质谱仪：研究同位素（测荷质比）的装置由加速电场、速度选择器、偏转磁场组成第２课时1、圆周运动的半径mvRqB2、圆周运动的周期2mTqB2vqvBmR2RTv思考：周期与速度、半径什么关系？复习回顾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）～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，qU=Ek．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：加速器（一）、直线加速器由动能定理得带电粒子经n极的电场加速后增加的动能为：)(321nkUUUUqE3．直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制．二、回旋加速器1．1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内进行多级加速．2．工作原理：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个D形盒和其间的窄缝内完成。回旋加速器2．回旋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。带电粒子的最终能量当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由r=mv/qB得v=rqB/m，若D形盒的半径为R，则带电粒子的最终动能：mRBqEm2222所以，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R．为什么带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关？解析：加速电压越高，带电粒子每次加速的动能增量越大，回旋半径也增加越多，导致带电粒子在D形盒中的回旋次数越少；反之，加速电压越低，粒子在D形盒中回旋的次数越多，可见加速电压的高低只影响带电粒子加速的总次数，并不影响引出时的速度和相应的动能，由mRBqEm2222可知，增强B和增大R可提高加速粒子的最终能量，与加速电压高低无关．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、电场用来加速带电粒子，磁场则使带电粒子回旋B、电场和磁场同时用来加速带电粒子C、同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大动能由加速电压决定D、同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大动能由磁感应强度B决定和加速电压决定(A)IBdh霍尔效应I=neSv=nedhveU/h=evBU=IB/ned=kIB/dk是霍尔系数练习（2000理科综合）如图所示．厚度为h，宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A’之间会产生电势差．这种现象称为霍尔效应．实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为U=kIB/d式中的比例系数K称为霍尔系数．霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛仑兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场．横向电场对电子施加与洛仑兹力方向相反的静电力．当静电力与洛仑兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流I是电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为v，电量为e．回答下列问题：（1）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势下侧面A’的电势（填：高于、低于或等于）。(2)电子所受的洛仑兹力的大小为。(3)当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受静电力的大小为。(4)由静电力和洛仑兹力平衡的条件，证明霍尔系数为k=1/ne其中n代表导体板单位体积中电子的个数．导学P98页第21题本课小结：一、带电粒子在磁场中的运动平行磁感线进入：做匀速直线运动垂直磁感线进入：做匀速圆周运动半径：R＝mvqB周期：T＝2πmqB二、质谱仪：研究同位素（测荷质比）的装置由加速电场、速度选择器、偏转磁场组成三、回旋加速器：使带电粒子获得高能量的装置由D形盒、高频交变电场等组成第３课时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1.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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：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例题讲解练习、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，∠MON=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）