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1、带电粒子在匀强 磁场中的运动,猜想与假设,洛伦兹力演示器,实验：,励磁线圈：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,加速电场：作用是改变电子束出射的速度,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：,匀速直线运动,F,F=0,一、 带电粒子在匀强磁场中的运动（重力不计）,匀速圆周运动,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,+,一、带电粒子运动轨迹的半径,匀强磁场中带电粒子运动轨迹的半径与哪些因素有关？,思路: 带电粒子做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力。,可见r与速度V、磁感应强度B、粒子的比荷有关,二、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆
2、周运动时周期,带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时周期有何特征？,可见同一个粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期与速度无关,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（090）,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：,注意：用弧度表示,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
3、确定其运动轨迹。,3.几何方法：,圆周上任意两点连线的中垂线过圆心 圆周上两条切线夹角的平分线过圆心 过切点作切线的垂线过圆心,30,1.圆心在哪里? 2.轨迹半径是多少?,思考,O,B,v,例：,r=d/sin 30o =2d,r=mv/qB,t=（ 30o /360o）T= T/12,T=2 m/qB,T=2r/v,小结：,r,t/T= 30o /360o,A,=30,v,qvB=mv2/r,t=T/12= m/6qB,3.偏转角=圆心角,1.两洛伦兹力的交点即圆心,2.偏转角：初末速度的夹角,4.穿透磁场的时间如何求？,3.圆心角 =?,f,f,1.如图，虚线上方存在无穷大的磁场，一带正
4、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,入射角1500时,可见半径不同意味着比荷不同，意味着它们是不同的粒子,这就是质谱仪的工作原理,一、质谱仪原理分析,一、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,2、工作原理将质量不等、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，由于粒子质量不同，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,质谱仪的两种装置,带电粒子质量m,电荷量q,由电压
5、U加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场,设轨道半径 为r,则有：,可得,带电粒子质量m,电荷量q,以速度v穿过速度选择器(电场强度E，磁感应强度B1),垂直进入磁感应强度为B2的匀强磁场.设轨道半径为r,则有：,qE=qvB1,可得：,均可测定荷质比,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,二.加速器,直线加速器,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：,直线加速器,二.加速器,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,直线加速器,利用加速电场对带电粒子做正功,使带电的粒子动能增加 即 qU =Ek,直线加速器的
6、多级加速：,教材图3.6-5所示的是多级 加速装置的原理图，由动能定理可知，带电粒子经n级的电场加速后增加的动能，,Ek=q（U1+U2+U3+U4+Un）,直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间内制造直线加速器受到一定的限制。,加速原理：,多级直线加速器有什么缺点？,回旋加速器,1932年,美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器， 从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖,回旋加速器,回旋加速器,1.作用：产生高速运动的粒子,2.原理:,用磁场控制轨道、用电场进行加速,回旋加速器,回旋加速器,交变,回旋加速器,交变电压的周期TE = 粒子在磁场中运动的
7、周期TB,解： 当粒子从D形盒出口飞出时，粒子的运动半径=D形盒的半径,回旋加速器,回旋加速器,问题6：D越大，EK越大，是不是只要D不断增大， EK 就可以无限制增大呢?,回旋加速器,美国费米实验室加速器,2.交变电场的周期和粒子的运动周期T相同-保证粒子每次经过交变电场时都被加速,1. 粒子在匀强磁场中的运动周期不变,回旋加速器,问题归纳,3.带电粒子每经电场加速一次,回旋半径 就增大一次,每次增加的动能为,4.粒子加速的最大速度由盒的半径决定,问题归纳,5.周期与速度和轨道半径无关,回旋加速器,最终能量,粒子运动半径最大为D形盒的半径R,带电粒子经加速后的最终能量：,所以最终能量为,讨论
8、：要提高带电粒子的最终能量，应采取什么措施？,回旋加速器加速的带电粒子, 能量达到25 MeV 30 MeV后，就很难再加速了。,在磁场中做圆周运动,周期不变 每一个周期加速两次 电场周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同 电场一个周期中方向变化两次 粒子加速的最大速度由盒的半径决定 电场加速过程中,时间极短,可忽略,结论,四、霍尔效应,1879年霍耳发现，把一载流导体放在磁场中，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势差，这一现象称之为霍耳现象。,如图，导电板高度为b厚度为 d放在垂直于它的磁场B中。当有电流I通过它时，由于磁场使导体内移动的电荷发生偏转，结果在
9、 A、A/两侧分别聚集了正、负电荷，在导电板的A、A 两侧会产生一个电势差U,其中 叫霍尔系数,四、霍尔效应,霍尔效应,I=neSv=nedhv,eU/h=evB,U=IB/ned=kIB/d,k是霍尔系数,例12、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，从而形成横向电场对电子施加与洛仑兹力方向相反的静电力。当静电子与洛仑兹力达到平衡时，导体上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流I是由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_下侧面的电势（填高于、低于或
10、等于）。 （2）电子所受洛仑兹力的大小为_。 （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 K= ，其中n代表导体板单位体积中电子的个数。,低于,BeV,Ue/h,.关于回旋加速器的工作原理，下列说法正确的是：,(A),06年广东东莞中学高考模拟试题8,8回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的匀强电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速两D形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中，如图所示，设匀强磁场的磁感应强度为B，D形金属盒的半径为R，狭缝间的
11、距离为d，匀强电场间的加速电压为U，要增大带电粒子（电荷量为q质量为m，不计重力）射出时的动能，则下列方法中正确的是： ( ) A增大匀强电场间的加速电压 B减小狭缝间的距离 C增大磁场的磁感应强度 D增大D形金属盒的半径,解：,C D,北京正负电子对撞机：撞出物质奥秘,大科学装置的存在和应用水平，是一个国家科学技术发展的具象。它如同一块巨大的磁铁，能够集聚智慧，构成一个多学科阵地。作为典型的大科学装置，北京正负电子对撞机的重大改造工程就是要再添磁力。,北京正负电子对撞机在我国大科学装置工程中赫赫有名，为示范之作。1988年10月16日凌晨实现第一次对撞时，曾被形容为“我国继原子弹、氢弹爆炸成
12、功、人造卫星上天之后，在高科技领域又一重大突破性成就”。北京正负对撞机重大改造工程的实施，将让这一大科学装置“升级换代”，继续立在国际高能物理的前端。 北京正负电子对撞机重大改造工程完工后，将成为世界上最先进的双环对撞机之一。,世界上最大、能量最高的粒子加速器 欧洲大型强子对撞机,世界最大对撞机启动模拟宇宙大爆炸 中国参与研究,这项实验在深入地底100米、长达27公里的环型隧道内进行。科学家预计，粒子互相撞击时所产生的温度，比太阳温度还要高10万倍，就好比137亿年前宇宙发生大爆炸时那一剎那的情况。,在瑞士和法国边界地区的地底实验室内，科学家们正式展开了被外界形容为“末日实验”的备受争议的计划。他们启动了全球最大型的强子对撞机(LHC)，把次原子的粒子运行速度加快至接近光速，并将互相撞击，模拟宇宙初开“大爆炸”后的情况。科学家希望借这次实验，有助解开宇宙间部分谜团。但有人担心，今次实验或会制造小型黑洞吞噬地球，令末日论流言四起。,
