带电粒子在匀强磁场中的运动讲稿.ppt

关于带电粒子在匀强磁场中的运动第一页，讲稿共三十二页哦复习 通电导线在磁场中所受到的安培力是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现。1、什么是洛伦兹力？它与安培力的关系？、什么是洛伦兹力？它与安培力的关系？洛伦兹力：运动电荷在磁场中受到的作用力洛伦兹力：运动电荷在磁场中受到的作用力2 2、洛伦兹力的方向如何判定？、洛伦兹力的方向如何判定？此力是否对带电粒子做功？此力是否对带电粒子做功？洛伦兹力的方向由左手定则判定洛伦兹力的方向由左手定则判定（1 1）四指指）四指指正电荷的运动方向，或指负电荷运动的反方向。（2 2）洛伦兹力垂直于且与、所在 的平面垂直，所以洛伦兹力不做功第二页，讲稿共三十二页哦4 4、带电粒子在电场和磁场中受力情况有带电粒子在电场和磁场中受力情况有 何不同？何不同？3、带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力？、带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力？（1）当电荷运动方向与磁场方向垂直（vB）时，f=qvB.（2）当电荷运动方向与磁场方向平行（v/B)时，电荷不受洛伦兹力.带电粒子置于电场中必受电场力，与运动状态无关，但在磁场中洛伦兹力的大小和方向与运动状态有关第三页，讲稿共三十二页哦问题问题1在在不计重力不计重力的情况下，带电的情况下，带电粒子粒子平行电场平行电场方向进入匀强方向进入匀强电场时会做什么运动呢？电场时会做什么运动呢？VE问题问题2在在不计重力不计重力的情况下，带电的情况下，带电粒子粒子平行磁场平行磁场方向进入匀方向进入匀强磁场时会做什么运动呢强磁场时会做什么运动呢？BV匀变速直线运动匀变速直线运动F电电=Eq(恒定）恒定）匀速直线运动匀速直线运动f洛洛=0第四页，讲稿共三十二页哦问题问题3在仅受在仅受电场力电场力的情况下，带的情况下，带电粒子电粒子垂直电场垂直电场方向进入匀方向进入匀强电场时会做什么运动呢？强电场时会做什么运动呢？VV+问题问题4在仅受在仅受磁场力磁场力的情况下，带电的情况下，带电粒子粒子垂直磁场垂直磁场方向进入匀强方向进入匀强磁场时会做什么运动呢？磁场时会做什么运动呢？类平抛运动类平抛运动匀速圆周运动匀速圆周运动第五页，讲稿共三十二页哦演示实验演示实验问题问题5在仅受在仅受磁场力磁场力的情况下，带电粒子的情况下，带电粒子垂直磁场垂直磁场方向进入匀强磁场时为什么方向进入匀强磁场时为什么会做匀速圆周运动呢？会做匀速圆周运动呢？问题问题6带电粒子进入匀强磁场做匀速圆周运动的半径与哪些因素有关呢？带电粒子进入匀强磁场做匀速圆周运动的半径与哪些因素有关呢？第六页，讲稿共三十二页哦 所以：所以：带电粒子将在垂直于磁带电粒子将在垂直于磁场的平面内做匀速圆周运动，洛伦场的平面内做匀速圆周运动，洛伦兹力来提供向心力。兹力来提供向心力。fvfv，f f大小不变，大小不变，f永远不做功永远不做功V-F洛洛 V-F洛洛V-F洛洛V-F洛洛理论推导：理论推导：1 1、物体做匀速圆周运动的条件？、物体做匀速圆周运动的条件？2 2、洛伦兹力的特点？、洛伦兹力的特点？合力方向始终垂直于速度方向指向圆心，大合力方向始终垂直于速度方向指向圆心，大小恒定，来提供向心力。小恒定，来提供向心力。rvmF=2向问题问题5在仅受在仅受磁场力磁场力的情的情况下，带电粒子况下，带电粒子垂直磁场垂直磁场方方向进入匀强磁场时为什么向进入匀强磁场时为什么会做匀速圆周运动呢？会做匀速圆周运动呢？第七页，讲稿共三十二页哦环形线圈环形线圈电子射线管电子射线管洛伦兹力演示仪洛伦兹力演示仪VVff线圈未通电时，线圈未通电时，B=0线圈通电时，线圈通电时，B0方向方向垂直线圈平面向里垂直线圈平面向里模模拟拟分分析析实实验验演演示示第八页，讲稿共三十二页哦一、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、带电粒子平行射入匀强磁场的运动状态？（重力不计）匀速直线运动匀速直线运动2、带电粒子垂直射入匀强磁场的运动状态？（重力不计）匀速圆周运动匀速圆周运动（1 1）半径特征：）半径特征：（2 2）周期特征：）周期特征：注意：周期注意：周期T T与运动速度及运动半径无关与运动速度及运动半径无关问题问题6带电粒子进入匀强磁场做匀速圆周运动的半径与哪些因素有关呢？带电粒子进入匀强磁场做匀速圆周运动的半径与哪些因素有关呢？第九页，讲稿共三十二页哦练一练练一练【1】电子、质子、氘核、氚核以同样的速度垂电子、质子、氘核、氚核以同样的速度垂直射入同一匀强磁场做匀速圆周运动，其中轨道直射入同一匀强磁场做匀速圆周运动，其中轨道半径最大的是（半径最大的是（）A电子电子 B质子质子 C氘核氘核 D氚核氚核 分析：根据分析：根据，由于四个粒子的电量，由于四个粒子的电量是相等的，而氚核的质量最大，所以半径最大。是相等的，而氚核的质量最大，所以半径最大。D第十页，讲稿共三十二页哦【2】同一种带电粒子以不同的速度垂直射入匀强磁场中，同一种带电粒子以不同的速度垂直射入匀强磁场中，其运动轨迹如图所示，则可知其运动轨迹如图所示，则可知（1）带电粒子进入磁场的速度值有几个？）带电粒子进入磁场的速度值有几个？（2）这些速度的大小关系为）这些速度的大小关系为（3）三束粒子从）三束粒子从O点出发分别到达点出发分别到达1、2、3点所用点所用时间关系为时间关系为V1233个个V3V2V1t1=t2=t3第十一页，讲稿共三十二页哦dBev【3 3】如图所示，一束电子（电量为如图所示，一束电子（电量为e)e)以速度以速度V V垂直垂直射入磁感应强度为射入磁感应强度为 B B、宽度为、宽度为 d d 的匀强磁场，穿透的匀强磁场，穿透磁场时的速度与电子原来的入射方向的夹角为磁场时的速度与电子原来的入射方向的夹角为30300 0。求。求 :(1):(1)电子的质量电子的质量 m=?(2)m=?(2)电子在磁场中的运动时电子在磁场中的运动时间间t=?t=?dBev第十二页，讲稿共三十二页哦VVVV3、带电粒子做圆周运动的分析方法（1）几个有关的角（偏向角、圆心角和弦切角）及其关系：）几个有关的角（偏向角、圆心角和弦切角）及其关系：第十三页，讲稿共三十二页哦VV3、带电粒子做圆周运动的分析方法（1）几个有关的角（偏向角、圆心角和弦切角）及其关系：）几个有关的角（偏向角、圆心角和弦切角）及其关系：vvO(偏向角）偏向角）粒子速度的偏向角等与圆心角，并等于AB弦与切线的夹角（弦切角）的倍即=2第十四页，讲稿共三十二页哦3、带电粒子做圆周运动的分析方法已知入射方向和出射方向已知入射方向和出射方向,与速度垂直的半径交点与速度垂直的半径交点就就是是圆弧轨道的圆弧轨道的圆心圆心。V V0 0P PM MO OV V（2 2）确定圆心：）确定圆心：已知入射方向和出射点的位置已知入射方向和出射点的位置时，半径与弦中垂线时，半径与弦中垂线的交点的交点就是就是圆弧轨道的圆弧轨道的圆心圆心。V VP PM MO OV V粒子进入磁场的弦切角等于飞出磁场的弦切角第十五页，讲稿共三十二页哦3、带电粒子做圆周运动的分析方法（3）确定半径：）确定半径：一般利用几何知识，常用解三角一般利用几何知识，常用解三角 形形的方法。的方法。（4 4）确定运动时间：利用圆心角与弦切角的关系或）确定运动时间：利用圆心角与弦切角的关系或 者是四边形内角和等于计算出圆心角的大小，由者是四边形内角和等于计算出圆心角的大小，由 公式可求出运动时间。公式可求出运动时间。第十六页，讲稿共三十二页哦dBev【3 3】如图所示，一束电子（电量为如图所示，一束电子（电量为e)e)以速度以速度V V垂直射垂直射入磁感应强度为入磁感应强度为 B B、宽度为、宽度为 d d 的匀强磁场，穿透磁的匀强磁场，穿透磁场时的速度与电子原来的入射方向的夹角为场时的速度与电子原来的入射方向的夹角为30300 0。求。求 :(1):(1)电子的质量电子的质量 m=?(2)m=?(2)电子在磁场中的运动时电子在磁场中的运动时间间t=?t=?dBev第十七页，讲稿共三十二页哦【例题例题】一个质量为一个质量为 m m、电荷量为、电荷量为q q的粒子，从容器下方的小孔的粒子，从容器下方的小孔S S1 1飘入飘入电势差为的加速电场，然后经过电势差为的加速电场，然后经过 S S3 3 沿着与磁场垂直的方向进入磁感沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为应强度为 的匀强磁场中，最后打到照相底片上求：的匀强磁场中，最后打到照相底片上求：（）求粒子进入磁场时的速率（）求粒子进入磁场时的速率（）求粒子在磁场中运动的轨道半径（）求粒子在磁场中运动的轨道半径解答：解答：第十八页，讲稿共三十二页哦二、实际应用二、实际应用加速电场：使带电粒子加速加速电场：使带电粒子加速 v=偏转磁场区：使带电粒子轨迹发生偏转，并被拍照偏转磁场区：使带电粒子轨迹发生偏转，并被拍照 偏转半径偏转半径 r=mv/qB=1、质谱仪、质谱仪：精密测量带电粒子质精密测量带电粒子质量和分析同位素（测荷质比）的仪量和分析同位素（测荷质比）的仪器器。发明者：阿斯顿（发明者：阿斯顿（汤姆生的学生汤姆生的学生）结构与原理：结构与原理：第十九页，讲稿共三十二页哦背景材料 人类在科学研究领域往往需要用到能量很大人类在科学研究领域往往需要用到能量很大的高能粒子，需要发明出能加速粒子的装置，的高能粒子，需要发明出能加速粒子的装置，粒子加速器就是这样应运而生的。粒子加速器就是这样应运而生的。粒子加速器粒子加速器粒子加速器的种类：粒子加速器的种类：直线加速器直线加速器回旋加速器回旋加速器第二十页，讲稿共三十二页哦1 1加速原理：利用加速电场对带电粒子做加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，正功使带电粒子的动能增加，qU=qU=E Ek k2 2直线加速器，多级加速直线加速器，多级加速如图所示是多级加速装置的原理图：如图所示是多级加速装置的原理图：直线加速器直线加速器第二十一页，讲稿共三十二页哦由动能定理得带电粒子经由动能定理得带电粒子经n n极的电场加速极的电场加速后增加的动能为：后增加的动能为：3 3直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范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围内制造直线加速器受到一定的限制第二十二页，讲稿共三十二页哦2、回旋加速器回旋加速器（1）作用：产生高速运动的粒子）作用：产生高速运动的粒子（2）原理原理1）、两）、两D形盒中有匀强磁场无电场，形盒中有匀强磁场无电场，盒间缝隙有交变电场。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）、交变电场的周期等于粒子做匀速圆周运动的周期。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。）、粒子最后出加速器的速度大小由盒的半径决定。二、实际应用二、实际应用第二十三页，讲稿共三十二页哦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：解析：加速电压越加速电压越高高，带电粒子每次加速的动能增量越，带电粒子每次加速的动能增量越大大，回旋半，回旋半径也增加越径也增加越多多，导致带电粒子在，导致带电粒子在D D形盒中的回旋次数越形盒中的回旋次数越少少；反之，；反之，加速电压越低，粒子在加速电压越低，粒子在D D形盒中回旋的次数越多，可见加速电压的高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，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，当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由r=mv/qBr=mv/qB得得v=v=rqB/mrqB/m，若若D D形盒的半径为形盒的半径为R R，则带电粒子的最终动能：，则带电粒子的最终动能：可知，可知，可知，可知，增强增强增强增强B B和增大和增大和增大和增大R R可提高加速粒子的最终能量，与可提高加速粒子的最终能量，与可提高加速粒子的最终能量，与可提高加速粒子的最终能量，与加速电压加速电压加速电压加速电压高高高高低无关低无关低无关低无关第二十四页，讲稿共三十二页哦本课小结：本课小结：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平行磁感线进入：做匀速直线运动平行磁感线进入：做匀速直线运动垂直磁感线进入：做匀速圆周运动垂直磁感线进入：做匀速圆周运动半径：半径：RmvqB周期：周期：T2m qB二、应用：二、应用：1、质谱仪：研究同位素（测荷质比）的、质谱仪：研究同位素（测荷质比）的 装置装置由加速电场、偏转磁场等组成由加速电场、偏转磁场等组成2、回旋加速器：使带电粒子获得高能量、回旋加速器：使带电粒子获得高能量的装置的装置由由D形盒、高频交变电场等组成形盒、高频交变电场等组成第二十五页，讲稿共三十二页哦【课后作业课后作业】课本课本P102练习题练习题1。第二十六页，讲稿共三十二页哦思考思考在仅受在仅受电场力电场力的情况下，带的情况下，带电粒子电粒子与电场方向成与电场方向成角角进入进入匀强电场时会做什么运动呢？匀强电场时会做什么运动呢？VE思考思考在仅受在仅受磁场力磁场力的情况下，带电粒子的情况下，带电粒子与磁场方向成与磁场方向成角角进入匀强磁场时进入匀强磁场时会做什么运动呢？会做什么运动呢？BV匀变速曲线运动匀变速曲线运动等距螺旋运动等距螺旋运动处理方法：处理方法：运动的合成与分解运动的合成与分解第二十七页，讲稿共三十二页哦【思考思考】一带电粒子沿垂直于磁场方向运动，它的一段径迹一带电粒子沿垂直于磁场方向运动，它的一段径迹如下图所示。径迹上的每一小段都可视为圆弧，由于带电粒如下图所示。径迹上的每一小段都可视为圆弧，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），子使沿途的空气电离，粒子的能量逐渐减小（带电量不变），由图可以确定此粒子带由图可以确定此粒子带_电；其运动方向从电；其运动方向从_ _向向_ _运运动（用动（用a、b表示）表示）ba正正Bba第二十八页，讲稿共三十二页哦【思考思考】一个质量为一个质量为mm电荷量为电荷量为+q q的带电粒子从的带电粒子从x x轴上的轴上的P P（a a，0 0）点以速度）点以速度v v，沿与，沿与x x正方向成正方向成6060的方向射入第一象限内的匀的方向射入第一象限内的匀强磁场中，并恰好垂直于强磁场中，并恰好垂直于y y轴射出第一象限。求匀强磁场的磁感应强轴射出第一象限。求匀强磁场的磁感应强度度B B和射出点的坐标。和射出点的坐标。P P0 000RRRR第二十九页，讲稿共三十二页哦【思思考考】如如图图所所示示，在在半半径径为为 R R 的的圆圆的的范范围围内内，有有匀匀强强磁磁场场，方方向向垂垂直直圆圆所所在在平平面面向向里里一一带带负负电电的的质质量量为为 m m 电电量量为为 q q 粒粒子子，从从 A A 点点沿沿半半径径 AO AO 的的方方向向射射入入，并并从从 C C 点点射射出出磁磁场场AOCAOC120120o o则则此此粒粒子子在在磁磁场场中中运运行行的的时时间间 t t_(不计重力不计重力)ABRvvO120120CABRvvO120120C第三十页，讲稿共三十二页哦 UqSS1dPB【练习练习】质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图，离子源要工具，它的构造原理如图，离子源S产生的各种不同正离子产生的各种不同正离子束束(速度可看作为零速度可看作为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片达记录它的照相底片P上，设离子在上，设离子在P上的位置到入口处上的位置到入口处S1的距离为的距离为d，可以判断，可以判断()A、若离子束是同位素，则、若离子束是同位素，则d越大，离子质量越大越大，离子质量越大B、若离子束是同位素，则、若离子束是同位素，则d越大，离子质量越小越大，离子质量越小C、只要、只要d相同，则离子质量一定相同相同，则离子质量一定相同D、只要、只要d相同，则离子的荷质比一定相同相同，则离子的荷质比一定相同AD第三十一页，讲稿共三十二页哦感谢大家观看第三十二页，讲稿共三十二页哦