带电粒子在磁场中的运动质谱仪高亚军.ppt

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1、第三章第三章 磁磁 场场6 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 质谱仪质谱仪乌海市滨河中学物理教研组乌海市滨河中学物理教研组 高亚军高亚军复习知识复习知识: :1.带电粒子在磁场中受洛伦兹力的计算公式？带电粒子在磁场中受洛伦兹力的计算公式？（1）带电粒子运动方向垂直于磁场方向：）带电粒子运动方向垂直于磁场方向：f=qvB（2）带电粒子运动方向平行于磁场方向：）带电粒子运动方向平行于磁场方向： f=02.2.带电粒子进入磁场时所受的洛伦兹力的方向？带电粒子进入磁场时所受的洛伦兹力的方向？问题问题带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时会做什么运动呢？带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁

2、场时会做什么运动呢？今天我们带着这个问题来学习第六节的内容。今天我们带着这个问题来学习第六节的内容。问题讨论：问题讨论：1、带电粒子的轨迹在哪个方位？、带电粒子的轨迹在哪个方位？ 2、速度如何变化？、速度如何变化？ 3、受力如何变化？、受力如何变化？ 4、轨迹是什么形状、轨迹是什么形状? vclipclip1演示实验：演示实验：带电粒子在磁场中的运动轨迹带电粒子在磁场中的运动轨迹演示仪器：演示仪器：洛伦兹力演示仪洛伦兹力演示仪两个平行的通电环形线圈可两个平行的通电环形线圈可产生沿轴线方向的匀强磁场产生沿轴线方向的匀强磁场由电子枪发出的电子由电子枪发出的电子射线可以使管的低压射线可以使管的低压水

3、银蒸汽发出辉光，水银蒸汽发出辉光，显示出电子的径迹。显示出电子的径迹。结论：结论：带电粒子带电粒子垂直垂直进入磁场中，粒子在进入磁场中，粒子在垂直垂直磁场方向的磁场方向的平面内做平面内做匀速圆周运动匀速圆周运动，洛伦兹力不做功。，洛伦兹力不做功。问题：问题：一带电量为一带电量为q，质量为，质量为m，速度为，速度为v的带电粒子垂直进的带电粒子垂直进入磁感应强度为入磁感应强度为B的匀强磁场中，其半径的匀强磁场中，其半径r和周期和周期T为为多大？多大？实验现象：在玻璃泡中可以清楚地看到，在没有磁场作用时，实验现象：在玻璃泡中可以清楚地看到，在没有磁场作用时，电子的径迹是直线；在管外加上匀强磁场，电子

4、的径迹弯曲电子的径迹是直线；在管外加上匀强磁场，电子的径迹弯曲成圆形。成圆形。推导推导:粒子做匀速圆周运动所需的向心力粒子做匀速圆周运动所需的向心力 是由是由粒子所受的洛伦兹力提供的粒子所受的洛伦兹力提供的,所以所以rvmF2qBmvr qBmT2rvmqvB2vrT2说明说明:1、对于同一个粒子，轨道半径和粒子的运动速率成正比。、对于同一个粒子，轨道半径和粒子的运动速率成正比。2、带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期和运动速率无关。、带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期和运动速率无关。当带电粒子进入磁场中速度方向和磁场方向既当带电粒子进入磁场中速度方向和磁场方向既不平行又不垂直，带电粒子的运

5、动轨迹又是什不平行又不垂直，带电粒子的运动轨迹又是什么样的呢？么样的呢？clip4练习练习1 1：如图所示，一束带正电的相同的粒子垂直：如图所示，一束带正电的相同的粒子垂直磁场边界自磁场边界自O O点射入匀强磁场中后分成了点射入匀强磁场中后分成了3 3束，其运束，其运动轨迹如图，粒子运动方向与磁场方向垂直，不计动轨迹如图，粒子运动方向与磁场方向垂直，不计粒子的重力作用，已知粒子的重力作用，已知OA=OC/2=OD/3OA=OC/2=OD/3，则这三束粒，则这三束粒子的速率之比子的速率之比 v1 : v2 : v3 = 1 : 2 : 3 练习练习2 ：匀强磁场中，有两个电子分别以速率：匀强磁场

6、中，有两个电子分别以速率v和和2v沿垂直于磁场沿垂直于磁场方向运动，哪个电子先回到原来的出发点？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原来的出发点。两个电子同时回到原来的出发点。 练习练习3 3：如图所示是：如图所示是 以相同的以相同的速度速度v垂直射入匀强磁场的部分运动轨迹，则垂直射入匀强磁场的部分运动轨迹，则1、2、3分别表示的是的运动轨迹，它分别表示的是的运动轨迹，它们的运动半径之比是。们的运动半径之比是。H11H21H31质谱仪介绍：质谱仪介绍：质谱仪是由汤姆生的

7、学生阿斯顿设计的。他用质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谱仪首先得到了氖-20和氖和氖-22的质谱线，证实了的质谱线，证实了同位素的存在。同位素的存在。用途：用途：经过多次改进，质谱仪已经成了一种十分精密的经过多次改进，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仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。要工具。例题例题:一质量为一质量为m，电荷量为，电荷量为q的粒子，从容器的粒子，从容器A下下方的小孔方的小孔S1飘入电势差为飘入电势差为U的加速电场。的加速电场。然后让然后让粒子垂直进入磁感应强度为粒子垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场

8、中做匀速的匀强磁场中做匀速圆周运动，最后打到照相底片圆周运动，最后打到照相底片D上（如图所示）。上（如图所示）。求求 ：（：（1）粒子进入）粒子进入 磁场时的速率；磁场时的速率； （2）粒子在磁场中运动的轨道半径。）粒子在磁场中运动的轨道半径。 练习练习4 4：如：如图所图所示，一电量为示，一电量为q q的带电粒子（不计重力）的带电粒子（不计重力）自自A A点垂直射入磁感应强度为点垂直射入磁感应强度为B B，宽度为宽度为d d的匀强磁场中，的匀强磁场中，穿过磁场的速度方向与原来入射方向的夹角为穿过磁场的速度方向与原来入射方向的夹角为30300 0，则，则该电荷质量该电荷质量m m是是，穿过磁场

9、所用的时间为，穿过磁场所用的时间为。由几何知识：弧AB所对应的圆心角=300,OB=OA即为半径r。故：ddr2sin300030/22对应圆心角又因弧得而ABVBdqmdqBmVr300BVVAOdPVdqBmTt32121121:故磁场中运动时间解题解题关键：（关键：（1）确定运动轨迹所在圆的圆心）确定运动轨迹所在圆的圆心 和半径和半径（2）计算粒子在磁场中的运动时间：）计算粒子在磁场中的运动时间： 先判定运动路径相先判定运动路径相 当于多少个当于多少个 周长周长,再由再由 求得时求得时 间间tTt0360课堂小结：课堂小结：本节课我们主要学习了：本节课我们主要学习了：1、洛伦兹力对带电粒

10、子不做功。、洛伦兹力对带电粒子不做功。2、带电粒子的初速度方向和磁感应强度的方向垂直时，粒、带电粒子的初速度方向和磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。子在匀强磁场中做匀速圆周运动。3、会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、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。周期公式，并会用它们解答有关问题。4、知道质谱仪的工作原理。、知道质谱仪的工作原理。作业：作业：P102问题与练习问题与练习 1、2轨迹平面轨迹平面与磁场垂与磁场垂直直因为带电粒子的初速度和所受洛伦兹力的方向都因为带电粒子的初速度和所受洛伦兹力的方向都在跟磁场方向垂

11、直的平面内，没有任何作用使粒在跟磁场方向垂直的平面内，没有任何作用使粒子离开这个平面子离开这个平面速度大小速度大小不变不变因为洛伦兹力总是跟粒子的运动方向垂直因为洛伦兹力总是跟粒子的运动方向垂直,所以洛所以洛伦兹力不对粒子做功，粒子的速度大小不变伦兹力不对粒子做功，粒子的速度大小不变速度方向速度方向时刻改变时刻改变因为洛伦兹力总是跟粒子的运动方向垂直，所以因为洛伦兹力总是跟粒子的运动方向垂直，所以速度方向改变速度方向改变受力大小受力大小不变不变因为速度大小不变因为速度大小不变,所以洛伦兹力大小也不变所以洛伦兹力大小也不变受力方向受力方向时刻改变时刻改变因为速度方向改变，所以洛伦兹力方向也改变因为速度方向改变，所以洛伦兹力方向也改变轨迹形状轨迹形状圆圆因为带电粒子受到一个大小不变，方向总与粒子因为带电粒子受到一个大小不变，方向总与粒子运动方向垂直的力，因此带电粒子做匀速圆周运运动方向垂直的力，因此带电粒子做匀速圆周运动，其向心力就是洛伦兹力动，其向心力就是洛伦兹力