36带电粒子在匀强磁场中运动课件.ppt
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1、 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 问题问题:判断下图中带电粒子(电量:判断下图中带电粒子(电量q q,重力不计)所受重力不计)所受洛伦兹力的大小和方向:洛伦兹力的大小和方向:1、匀速直线运动。、匀速直线运动。F=qvBF=02、一、一、带电粒子在匀强磁场中的运动(重力不计)带电粒子在匀强磁场中的运动(重力不计)理论探究理论探究猜想:匀速圆周运动。匀速圆周运动。匀速圆周运动。匀速圆周运动。匀速圆周运动的特点匀速圆周运动的特点匀速圆周运动的特点匀速圆周运动的特点?匀速圆周运动的特点:匀速圆周运动的特点:匀速圆周运动的特点:匀速圆周运动的特点:速度的大小速度的大小 ,不变
2、不变速度的方向速度的方向 ;始终和速度方向垂直始终和速度方向垂直向心力的大小向心力的大小 ,不变向心力的方向向心力的方向 。向心力只改变向心力只改变 ,向心力不改变向心力不改变 。速度的大小速度的大小速度的方向速度的方向不断变化不断变化Fv+Fv+洛伦兹力总与速度方向垂直,不改变带洛伦兹力总与速度方向垂直,不改变带电粒子的速度大小,所以洛伦兹力不对带电电粒子的速度大小,所以洛伦兹力不对带电粒子做功。粒子做功。理论探究理论探究Fv+V V-F洛洛 V V-F洛洛V V-F洛洛V V-F洛洛洛仑兹力对电荷只起向洛仑兹力对电荷只起向心力的作用,故只在洛心力的作用,故只在洛仑兹力的作用下,电荷仑兹力的
3、作用下,电荷将作匀速圆周运动。将作匀速圆周运动。理论探究理论探究 由于粒子速度的大小不变,所以洛伦兹力大小由于粒子速度的大小不变,所以洛伦兹力大小也不改变,加之洛伦兹力总与速度方向垂直,正好也不改变,加之洛伦兹力总与速度方向垂直,正好起到了向心力的作用。起到了向心力的作用。+如果带电粒子射入匀强磁场时如果带电粒子射入匀强磁场时,初速度方向与磁场方向垂初速度方向与磁场方向垂直直,粒子仅在洛伦兹力的作用下将作什么运动粒子仅在洛伦兹力的作用下将作什么运动?实验视频 加速电场:作用是能在两线圈之间产生平行于两线圈中心的连线的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匀强磁场作用是改变电子
4、束出射的速度作用是改变电子束出射的速度励磁线圈(之前所学的亥姆霍兹线圈):亥姆霍兹线圈亥姆霍兹线圈实验结论实验结论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。磁感应强度不变,粒子射入的速度增加,轨道半径也增大。粒子射入速度不变,磁场强度增大,轨道半径减小。通过格通过格雷塞尔气雷塞尔气泡室显示泡室显示的带电粒的带电粒子在匀强子在匀强磁场中的磁场中的运动径迹运动径迹1、匀速直线运动。、匀速直线运动。FF=0一、一、带电粒子在匀强磁场中的运动(重力不计)带电粒子在匀强磁场中的运动(重力不计)2、二、带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的二、带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径、速率
5、和周期半径、速率和周期匀速圆周运动匀速圆周运动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、圆周运动的周期思考:周期与速度、半径有什么关系?思考:周期与速度、半径有什么关系?T=2(mv/qB)/v 3 3、磁感应强度不变,粒子射入速度增加,轨道半径将、磁感应强度不变,粒子射入速度增加,轨道半径将 。r=mv/qB v增大增大4 4、粒子射入速度不变,磁场强度增大,轨道半径将、粒子射入速度不变,磁场强度增大,轨道半径将 。r=mv/qB 1/B减少减少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。二、带电粒子在磁场中做匀
6、速圆周运动的半径、速率和周期:二、带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径、速率和周期:两个经典模型:应用两个经典模型:应用例题:一个质量为例题:一个质量为m、电荷量为、电荷量为q的粒子,从的粒子,从容器下方的小孔容器下方的小孔S1飘入电势差为飘入电势差为U的加速电场,的加速电场,然后经过然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为强度为B的匀强磁场中,最后打到照相底片的匀强磁场中,最后打到照相底片D上(如图)上(如图)(1)求粒子进入磁场)求粒子进入磁场时的速率。时的速率。(2)求粒子在磁场中)求粒子在磁场中运动的轨道半径。运动的轨道半径。(一)、(一)、质谱仪
7、质谱仪测量带电测量带电粒子的质量粒子的质量或比荷或比荷 分析同位素分析同位素二、实际应用二、实际应用直线加速器直线加速器 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
8、伦斯获诺贝尔年劳伦斯获诺贝尔 物理奖。物理奖。(二)、(二)、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、特点、特点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交变电场的周期等于粒子做匀速圆周运动的周期。速圆周运动的周期。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。已知回旋加速器中已知回旋加速器中D形盒内匀强磁场的磁感应形盒内匀强磁场的磁感应强度大小为强度大小为B,D形盒的半径为形盒的半径为r.今将质量为今将质量为m、电
9、量为电量为q的质子从间隙中心处由静止释放,求的质子从间隙中心处由静止释放,求粒粒子在加速器内加速后所能达到的最大速度表达式子在加速器内加速后所能达到的最大速度表达式.4)带电粒子在带电粒子在D形盒内运动时,轨道不是等距分布的,形盒内运动时,轨道不是等距分布的,越靠近越靠近D形盒的边缘,相邻两轨道间的距离越小形盒的边缘,相邻两轨道间的距离越小3、注意、注意(1)带电粒子在匀强磁场中的运动周期带电粒子在匀强磁场中的运动周期 跟跟运动速率和轨道半径无关,对于一定的带电粒子和运动速率和轨道半径无关,对于一定的带电粒子和一定的磁感应强度来说,这个周期是恒定的。一定的磁感应强度来说,这个周期是恒定的。(2
10、)交变电场的往复变化周期和粒子的运动周期交变电场的往复变化周期和粒子的运动周期T相相同,这样就可以保证粒子在每次经过交变电场时都同,这样就可以保证粒子在每次经过交变电场时都被加速。被加速。如果尽量增强回旋加速器的磁场或加大如果尽量增强回旋加速器的磁场或加大D形盒形盒半径,我们是不是就可以使带电粒子获得任意高半径,我们是不是就可以使带电粒子获得任意高的能量吗?的能量吗?(3)由于侠义相对论的限制,回旋加速器只能把粒由于侠义相对论的限制,回旋加速器只能把粒子加速到一定的能量。子加速到一定的能量。-e2v.BT=2m/eBT=2m/eB例例 1、匀强磁场中,有两个电子分别以速率、匀强磁场中,有两个电
11、子分别以速率v和和2v沿垂直沿垂直于磁场方向运动,哪个电子先回到原来的出发点?于磁场方向运动,哪个电子先回到原来的出发点?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运动周期和电子的速率无关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?两个电子轨道半径如何?例例2 2一个带负电粒子(质量为一个带负电粒子(质量为m m,带电量为,带电量为q q),以速率),以速率v v在磁感应在磁感应强度为强度为B B的匀强磁场中做逆时针圆周运动(沿着纸面),则该匀强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
12、纸面向里还是向外?粒子运转所形成的环形电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?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/TI=q/T=qI=q/T=q2 2B/2mB/2m301.1.圆心在哪里圆心在哪里?2.2.轨迹半径是多少轨迹半径是多少?OBdv 例例3 3:r=d/sin 3030o o=2d=2d r=mv/qBt=(3030o o/360360o o)T=T=T/12T=2 m/qBT=2 r/v小结:小结:rt/T=3030o o/360360o oA=30vqvBqvB=mv=mv2 2/r/rt
13、=T/12=m/6qB3、偏转角、偏转角=圆心角圆心角1、两洛伦、两洛伦兹兹兹兹力的交点即圆心力的交点即圆心2、偏转角:初末速度的夹角。、偏转角:初末速度的夹角。4.4.穿透磁场的时间如何求?穿透磁场的时间如何求?3 3、圆心角、圆心角=?=?t=T/12=d/3vt=T/12=d/3vFFvOPBSOC画轨迹画轨迹 连接连接OP,作垂直平分线交作垂直平分线交OS于于O半圆半圆R=mv/qBOS=2R=2 mv/qB OOP=2 T=2 m/qBt=2 T/2=2m/qB=q B t/2 m解解:(1)找圆心)找圆心O定半径定半径R2 例例4 4一个负离子,质量为一个负离子,质量为m m,电量
14、大小为,电量大小为q q,以速率,以速率v v垂直于屏垂直于屏S S经过小孔经过小孔O O射入存射入存在着匀强磁场的真空室中,如图所示。磁感应强度在着匀强磁场的真空室中,如图所示。磁感应强度B B的方向与离子的运动方向垂的方向与离子的运动方向垂直,并垂直于图中纸面向里。直,并垂直于图中纸面向里。(1 1)求离子进入磁场后到达屏)求离子进入磁场后到达屏S S上时的位置与上时的位置与O O点的距离。点的距离。(2 2)如果离子进入磁场后经过时间)如果离子进入磁场后经过时间t t到达位置到达位置P P,证明:直线,证明:直线OPOP与离子入射方向与离子入射方向之间的夹角之间的夹角跟跟t t的关系是的
15、关系是=qBt/2m。qvB=mv2/Rt/T=2/2(2)(2)如何求如何求t tOPOP?t/T=/2(3)(3)、离子进入磁场后经过时间、离子进入磁场后经过时间t t到达位置到达位置P P速速度方向偏转了多少角度方向偏转了多少角?偏转角偏转角=圆心角圆心角=2(2弦切角)弦切角)F三三、带带电电粒粒子子在在磁磁场场中中运运动动问问题题的的解解题题思思路路找找 圆圆 心心画画轨轨迹迹1、已已 知知 两两 点点 速速 度度 方方 向向2、已知一点速度方向和另一点位置、已知一点速度方向和另一点位置两两洛洛伦伦兹兹力力方方向向的的延延长长线线交交点点为为圆圆心心弦弦的垂直平分线与一直径的交点为圆
16、心的垂直平分线与一直径的交点为圆心v1Ov2ABv1ABO例例5 5、如图所示,在半径为、如图所示,在半径为r r的圆形区域内,有一个匀强的圆形区域内,有一个匀强磁场,一带电粒子以速度磁场,一带电粒子以速度v v0 0从从M M点沿半径方向射入磁场区,点沿半径方向射入磁场区,并由并由N N点射出,点射出,O O点为圆心,点为圆心,AOB=120AOB=120,求粒子在磁场,求粒子在磁场区的偏转半径区的偏转半径R R及在磁场区中的运动时间。(粒子重力不及在磁场区中的运动时间。(粒子重力不计)计)rR6030r/R=tan30R=rtan60ot=(6060o o/360360o o)T=T=T/
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