36带电粒子在匀强磁场中的运动.pptx
学习目标：学习目标：1. 理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时，在匀强磁场中做匀速圆向垂直时，在匀强磁场中做匀速圆 周运动周运动.2.会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动会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，并会用它们解答有关问题。的半径、周期公式，并会用它们解答有关问题。知道质谱仪的工作原理。知道质谱仪的工作原理。3.知道回旋加速器的基本构造、工作原理及用途。知道回旋加速器的基本构造、工作原理及用途。3.6 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问题问题1:1:带电粒子平行射入匀强磁场的运动状态带电粒子平行射入匀强磁场的运动状态? ?问题问题2:2:带电粒子垂直射入匀强磁场的运动状态带电粒子垂直射入匀强磁场的运动状态? ?匀速直线运动匀速直线运动1)1)带电粒子仅在洛伦兹力的作用下带电粒子仅在洛伦兹力的作用下, ,粒子的速粒子的速度大小有没有变化度大小有没有变化? ?2)2)洛伦兹力如何变化洛伦兹力如何变化? ?匀速圆周运动匀速圆周运动一、带电粒子在匀强磁场中的运动一、带电粒子在匀强磁场中的运动一、带电粒子在匀强磁场中的运动一、带电粒子在匀强磁场中的运动实验演示实验演示洛伦兹力演示仪洛伦兹力演示仪亥姆霍兹线圈亥姆霍兹线圈电电 子子 枪枪磁场强弱选择挡磁场强弱选择挡加速电压加速电压选择挡选择挡一、带电粒子在匀强磁场中的运动一、带电粒子在匀强磁场中的运动工作原理工作原理: :由电子枪发出的电子射线可以使管的由电子枪发出的电子射线可以使管的低压水银蒸汽发出辉光低压水银蒸汽发出辉光, ,显示出电子的径迹显示出电子的径迹励磁线圈励磁线圈: :作用是能在两线圈之间产生平行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于两线圈中心的连线的匀强磁场加速电场：作用是改变电子束出射的速度加速电场：作用是改变电子束出射的速度电子枪：射出电子电子枪：射出电子构造构造:1.洛伦兹力演示仪洛伦兹力演示仪一、带电粒子在匀强磁场中的运动一、带电粒子在匀强磁场中的运动1)1)不加磁场时观察电子束的径迹不加磁场时观察电子束的径迹2)2)给励磁线圈通电给励磁线圈通电, ,观察电子束的径迹观察电子束的径迹3)3)保持初射电子的速度不变保持初射电子的速度不变, ,改变磁感应强度改变磁感应强度, ,观察电子束径迹的变化观察电子束径迹的变化4)4)保持磁感应强度不变保持磁感应强度不变, ,改变出射电子的速度改变出射电子的速度, ,观察电子束径迹的变化观察电子束径迹的变化1.1.不加磁场时电子束的径迹不加磁场时电子束的径迹直线直线实验结论实验结论: :一、带电粒子在匀强磁场中的运动一、带电粒子在匀强磁场中的运动3.3.磁场强度不变磁场强度不变, ,粒子射入的速度增加粒子射入的速度增加, ,轨道半轨道半径也增大径也增大4.4.粒子射入速度不变粒子射入速度不变, ,磁场强度增大磁场强度增大, ,轨道半径轨道半径减小减小2.2.沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子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，洛伦兹力提供在匀强磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供了带电粒子做匀速圆周运动所需的向心力了带电粒子做匀速圆周运动所需的向心力1 1）圆周运动的半径）圆周运动的半径2 2）圆周运动的周期）圆周运动的周期3.3.推导粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半推导粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径径r r和运动周期和运动周期T,T,与粒子的速度与粒子的速度v v和磁场的强度和磁场的强度B B的的关系表达式关系表达式RvmqvB2qBmvR vRT2qBmT2一、带电粒子在匀强磁场中的运动一、带电粒子在匀强磁场中的运动在匀强磁场中做匀速圆周运动的带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的带电粒子, ,轨轨道半径跟运动速率成正比道半径跟运动速率成正比; ;周期跟轨道半径和运动周期跟轨道半径和运动速率均无关速率均无关o例题1：质子和粒子组成的离子束以相同的速度垂直进入同一匀强磁场，它们能分开吗？o答案：能否分开应由半径是否相同来确定质子的电荷数是粒子的 1/2 ，质量数是粒子的 1/4 ，由r mv/qB ，可得2rpr.可见若两者一起进入磁场偏转，在动能相等的条件下，其轨道是相同的，即能分开.例题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，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。(1)质谱仪：用来分析各种元素的同位素并测量质谱仪：用来分析各种元素的同位素并测量其质量及含量百分比的仪器其质量及含量百分比的仪器(2)构造：如下图所示，主要由以下几部分组成：构造：如下图所示，主要由以下几部分组成：带电粒子注射器带电粒子注射器加速电场加速电场(U)速度选择器速度选择器(B1、E)偏转磁场偏转磁场(B2)照相底片照相底片1.质谱仪质谱仪二、实际应用二、实际应用二、实际应用二、实际应用2直线加速器直线加速器 思考思考:多级直线加速器的缺点是什么多级直线加速器的缺点是什么?加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加。电粒子的动能增加。3、回旋加速器回旋加速器3、回旋加速器、回旋加速器+- +-(1)原理：利用电场对带电粒子的加速作用和磁原理：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场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场时，只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，入匀强磁场时，只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其中周期与速率和半径无关，使带电粒子每次进入其中周期与速率和半径无关，使带电粒子每次进入D形形盒中都能运动相等时间盒中都能运动相等时间(半个周期半个周期)后，平行于电场方向后，平行于电场方向进入电场中加速进入电场中加速交流电压：为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被交流电压：为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使之能量不断提高，要在狭缝处加一个周期与加速，使之能量不断提高，要在狭缝处加一个周期与粒子在磁场中运动周期相同的交流电压粒子在磁场中运动周期相同的交流电压 19311931年，加利福尼亚大学的劳年，加利福尼亚大学的劳 伦斯提出了一个卓越的思想，通伦斯提出了一个卓越的思想，通 过磁场的作用迫使带电粒子沿着过磁场的作用迫使带电粒子沿着 磁极之间做螺旋线运动磁极之间做螺旋线运动, ,把长长把长长 的电极像卷尺那样卷起来，发明的电极像卷尺那样卷起来，发明 了回旋加速器，第一台直径为了回旋加速器，第一台直径为27cm27cm的回旋的回旋 回速器投入运行，它能将质子回速器投入运行，它能将质子 加速到加速到1Mev1Mev。 19391939年劳伦斯获诺贝尔年劳伦斯获诺贝尔 物理奖。物理奖。1.质子（质子（H）和）和粒子（粒子（He）在同一匀强磁场中做半径相同的圆周运）在同一匀强磁场中做半径相同的圆周运动，由此可知质子的动能动，由此可知质子的动能Ek1和和粒子的动能粒子的动能Ek2之比之比Ek1 Ek2等于（）等于（）A.4 1B.1 1 C.1 2 D.2 12如图所示，如图所示，ab是一根弯管，其中心线是半径为是一根弯管，其中心线是半径为R的一段圆弧，匀的一段圆弧，匀强磁场垂直于弯管所在平面向外强磁场垂直于弯管所在平面向外.有一束粒子从有一束粒子从a端沿圆弧中心线射入弯管，端沿圆弧中心线射入弯管，粒子的质量不同，速度也不同，但电荷量相等粒子的质量不同，速度也不同，但电荷量相等.因此（）因此（） A.只有速度大小一定的粒子可沿中心线通过弯管只有速度大小一定的粒子可沿中心线通过弯管B.只有质量大小一定的粒子可沿中心线通过弯管只有质量大小一定的粒子可沿中心线通过弯管C.只有速度质量乘积一定的粒子可沿中心线通过弯管只有速度质量乘积一定的粒子可沿中心线通过弯管D.只有动能大小一定的粒子可沿中心线通过弯管只有动能大小一定的粒子可沿中心线通过弯管3质子和质子和粒子由静止出发经同一电场加速后，沿垂直于磁感线方粒子由静止出发经同一电场加速后，沿垂直于磁感线方向进入同一匀强磁场向进入同一匀强磁场.则它们在磁场中各运动参量间的关系是（）则它们在磁场中各运动参量间的关系是（）A.速率之比为速率之比为 1 B.周期之比为周期之比为1 2C.半径之比为半径之比为1 D.向心加速度之比为向心加速度之比为2 1Bab当堂检测当堂检测2221 B 2 C 3 A当堂检测答案当堂检测答案小结：小结：一一 带电粒子垂直进入匀强磁场做圆周运动带电粒子垂直进入匀强磁场做圆周运动半径半径 周期周期二二 应用应用1 质谱仪：测量带电粒子质量和分析同位素的精密仪器质谱仪：测量带电粒子质量和分析同位素的精密仪器2 回旋加速器：电场加速，磁场改变方向。电场变化与圆周回旋加速器：电场加速，磁场改变方向。电场变化与圆周运动周期相同。最大速度取决于运动周期相同。最大速度取决于D型盒的半径。型盒的半径。
