《【高中物理】带电粒子在匀强磁场中的运动课件 2022-2023学年高二物理人教版（2019）选择性必修第二册》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【高中物理】带电粒子在匀强磁场中的运动课件 2022-2023学年高二物理人教版（2019）选择性必修第二册（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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（第第1 1课时课时）学习目标学习目标、掌握带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的、掌握带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的、掌握带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的、掌握带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并用它们解答有关问题。半径、周期公式，并用它们解答有关问题。半径、周期公式，并用它们解答有关问题。半径、周期公式，并用它们解答有关问题。.理解质谱仪和回旋加速器的工作原理，并会进理解质谱仪和回旋加速器的工作原理，并会进理解质谱仪和回旋加速器的工作原理，并会进理解质谱仪和回旋加速器的工作原理，并会进行有关计算。行有关计算。行有
2、关计算。行有关计算。如电子如电子如电子如电子,质子质子质子质子,粒子粒子粒子粒子,正负离子等正负离子等正负离子等正负离子等.一般都不考虑重一般都不考虑重一般都不考虑重一般都不考虑重力力力力(但并不能忽略质量但并不能忽略质量但并不能忽略质量但并不能忽略质量).).).).如带电小球、液滴、尘埃等如带电小球、液滴、尘埃等如带电小球、液滴、尘埃等如带电小球、液滴、尘埃等.除有说明或暗示外除有说明或暗示外除有说明或暗示外除有说明或暗示外,一般一般一般一般都考虑重力都考虑重力都考虑重力都考虑重力.2 2、电子平行射入匀强磁场做什么运动、电子平行射入匀强磁场做什么运动?3 3、电子垂直射入匀强磁场做什么运
3、动、电子垂直射入匀强磁场做什么运动?匀速直线运动匀速直线运动匀速直线运动匀速直线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问题导学问题导学问题导学问题导学：阅读教材：阅读教材：阅读教材：阅读教材P99-101P99-101P99-101P99-101页，同时思考以下问题页，同时思考以下问题页，同时思考以下问题页，同时思考以下问题1 1 1 1、在学习带电粒子在电场中偏转时，有哪些粒子可以、在学习带电粒子在电场中偏转时，有哪些粒子可以、在学习带电粒子在电场中偏转时，有哪些粒子可以、在学习带电粒子在电场中偏转时，有哪些粒子可以忽略重力？哪些不可以忽略重力？忽略重力？哪些不可以忽略重力？忽
4、略重力？哪些不可以忽略重力？忽略重力？哪些不可以忽略重力？精讲精讲一：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：带电粒子在匀强磁场中的运动形式（忽略重力）：带电粒子在匀强磁场中的运动形式（忽略重力）：带电粒子在匀强磁场中的运动形式（忽略重力）：带电粒子在匀强磁场中的运动形式（忽略重力）（）（）（）（）V/BV/BV/BV/B时：时：时：时：匀速直线运动匀速直线运动匀速直线运动匀速直线运动（）（）（）（）V BV BV BV B时：时：时：时：Fv+Fv+Fv+电子垂直进入磁场中时，电子垂直进入磁场中时，仅受仅受洛伦兹力
5、，此洛伦兹力不做功洛伦兹力，此洛伦兹力不做功。故电子速度大小不变故电子速度大小不变，同时洛，同时洛伦兹力与速度垂直，起到了伦兹力与速度垂直，起到了向向心力的作用心力的作用，故在磁场中做，故在磁场中做匀匀速圆周速圆周运动。运动。（理论分析）（理论分析）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 方方向垂直线圈平面向里向垂直线圈平面向里实实验验演演示示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保持出射电子的速度不变保持出射电子的速度不变
6、,改变磁感应改变磁感应强度强度,观察电子束径迹的变化观察电子束径迹的变化保持磁感应强度不变保持磁感应强度不变,改变出射电子的改变出射电子的速度速度,观察电子束径迹的变化观察电子束径迹的变化2)2)实验演示实验演示.实验验证实验验证（1 1 1 1）半径特征：）半径特征：）半径特征：）半径特征：（2 2 2 2）周期特征：）周期特征：）周期特征：）周期特征：周期周期周期周期T T T T与与与与V V V V及及及及R R R R无关无关无关无关：带电粒子做匀速圆周运动的规律：带电粒子做匀速圆周运动的规律例题：一带电粒子沿垂直于磁场方向运动，它的一段径例题：一带电粒子沿垂直于磁场方向运动，它的一
7、段径例题：一带电粒子沿垂直于磁场方向运动，它的一段径例题：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，由于迹如下图所示。径迹上的每一小段都可视为圆弧，由于迹如下图所示。径迹上的每一小段都可视为圆弧，由于迹如下图所示。径迹上的每一小段都可视为圆弧，由于带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能量逐渐减小（带带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能量逐渐减小（带带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能量逐渐减小（带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），由图可以确定此粒子带电量不变），由图可以确定此粒子带电量不变），由图可以确定此粒子带电量不变），由图可以
8、确定此粒子带_电；其运动方电；其运动方电；其运动方电；其运动方向从向从向从向从_ _ _ _ _向向向向_ _ _ _ _运动（用运动（用运动（用运动（用a a a a、b b b b表示）表示）表示）表示）ba正正BbaA B C例题例题例题例题.一个质量为一个质量为一个质量为一个质量为m m m m、电荷量为、电荷量为、电荷量为、电荷量为q q q q的粒子的粒子的粒子的粒子,从容器下方的从容器下方的从容器下方的从容器下方的小孔小孔小孔小孔S S S S1 1 1 1飘入电势差为飘入电势差为飘入电势差为飘入电势差为U U U U的加速电场的加速电场的加速电场的加速电场,其初速度几乎为零其初
9、速度几乎为零其初速度几乎为零其初速度几乎为零,然然然然后经过后经过后经过后经过S S S S3 3 3 3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B B B B的匀的匀的匀的匀强磁场中强磁场中强磁场中强磁场中,最后打到照相底片最后打到照相底片最后打到照相底片最后打到照相底片D D D D上上上上.(1)(1)(1)(1)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进入磁场时的速率求粒子进入磁场时的速率(2)(2)(2)(2)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求粒子
10、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偏转：二、实际应用二、实际应用1 1 1 1、质谱仪：精密测量带电粒子质量和分析同位素（测、质谱仪：精密测量带电粒子质量和分析同位素（测、质谱仪：精密测量带电粒子质量和分析同位素（测、质谱仪：精密测量带电粒子质量和分析同位素（测荷质比）的仪器荷质比）的仪器荷质比）的仪器荷质比）的仪器 。（1 1 1 1）加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使）加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使）加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使）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，带电粒子的动能增加，带电粒子的动能增加，带电粒子的动能增加
11、，qU=qU=qU=qU=E E E Ek k k k（2 2 2 2）直线加速器，多级加速）直线加速器，多级加速）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：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粒子在每个加速电场中的运动时间相等，因为交变电压粒子在每个加速电场中的运动时间相等，因为交变电压粒子在每个加速电场中的运动时间相等，因为交变电压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的变化周期相同的变化周期相同的变化周期相同 （3 3 3 3）直线加速器占有的空间范围
12、大，在有限）直线加速器占有的空间范围大，在有限）直线加速器占有的空间范围大，在有限）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的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制(2)(2)原理原理(1)(1)(1)(1)磁场的作用：偏转回旋磁场的作用：偏转回旋磁场的作用：偏转回旋磁场的作用：偏转回旋(2)(2)(2)(2)电场的作用：加速电场的作用：加速电场的作用：加速电场的作用：加速(3)(3)(3)(3)交变电压的作用：保证交变电压的作用：保证交变电压的作用：保证交变电压的作用：保证带电粒
13、子每次经过窄缝带电粒子每次经过窄缝带电粒子每次经过窄缝带电粒子每次经过窄缝时都被加速时都被加速时都被加速时都被加速3 3：回旋加速器：回旋加速器(1)、结构：、结构：两个两个D形盒及两个大磁极形盒及两个大磁极 D形盒间的窄缝形盒间的窄缝 高频交流电高频交流电+问题问题问题问题1 1：粒子被加速后，运动速率和运动半径都会粒子被加速后，运动速率和运动半径都会增加，它的运动增加，它的运动周期会增加吗？周期会增加吗？周期会增加吗？周期会增加吗？问题问题问题问题2 2：在回旋加速器中，如果两个在回旋加速器中，如果两个D型盒不是分别接在型盒不是分别接在高频交流电源高频交流电源高频交流电源高频交流电源的两极
14、上，而是接在的两极上，而是接在直流的两极直流的两极直流的两极直流的两极上，那么带上，那么带电粒子能否被加速？请在图中画出粒子的运动轨迹。电粒子能否被加速？请在图中画出粒子的运动轨迹。周期周期T跟圆半径跟圆半径r和速率和速率v均无关均无关.T不变不变问题问题问题问题3 3：要使粒子每次经过电场都被加要使粒子每次经过电场都被加速，应在电极上加一个速，应在电极上加一个 电压。电压。交变交变交变交变根据下图，说一说为使带电根据下图，说一说为使带电粒子不断得到加速，提供的粒子不断得到加速，提供的电压应符合怎样的要求？电压应符合怎样的要求？交变电压的周期交变电压的周期交变电压的周期交变电压的周期T TE
15、E=粒子在磁场中运动的周期粒子在磁场中运动的周期粒子在磁场中运动的周期粒子在磁场中运动的周期T TB B问题问题问题问题4 4 4 4：已知已知D D形盒的直径为形盒的直径为D D，匀强磁场的磁感应强，匀强磁场的磁感应强度为度为B B，交变电压的电压为，交变电压的电压为U U，求求:(1):(1)从出口射出时，粒子的速度从出口射出时，粒子的速度v=v=？（2 2）从出口射出时，粒子的动能）从出口射出时，粒子的动能Ek=Ek=？（3 3）要增大粒子的最大动能可采取哪些措施？）要增大粒子的最大动能可采取哪些措施？DDV=V=？U UB B解：解：解：解：当粒子从当粒子从当粒子从当粒子从DD形盒出口
16、飞出时，形盒出口飞出时，形盒出口飞出时，形盒出口飞出时，粒子的运动半径粒子的运动半径粒子的运动半径粒子的运动半径=D=D形盒的直径的一半形盒的直径的一半形盒的直径的一半形盒的直径的一半问题问题问题问题5 5：D越大，越大，EK越大，是不是只要越大，是不是只要D不断增大，不断增大，EK 就可以无限制增大呢？就可以无限制增大呢？最高能量只能达到最高能量只能达到20兆电子伏兆电子伏当粒子的速率大到接近当粒子的速率大到接近当粒子的速率大到接近当粒子的速率大到接近光速光速光速光速时，时，时，时，按照相对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地增加按照相对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地增加按照相对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地增加按照相对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地增加，从而，从而使使粒子的回旋粒子的回旋粒子的回旋粒子的回旋周期周期周期周期也随之变化也随之变化也随之变化也随之变化，这就，这就破坏了加速器的同步条件破坏了加速器的同步条件与加速电压与加速电压U无关无关1.1.在磁场中做圆周运动在磁场中做圆周运动,周期不变周期不变2.2.每一个周期每一个周期加速两次加速两次3.3
