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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鹤壁高中鹤壁高中 宋莉允宋莉允2013.10.22当磁铁靠近当磁铁靠近电视会怎样电视会怎样【知识回顾知识回顾】1、洛伦兹力产生的条件？、洛伦兹力产生的条件？2、洛伦兹力的大小和方向如何确定？、洛伦兹力的大小和方向如何确定？3、洛伦兹力有什么特点？、洛伦兹力有什么特点？射入匀强磁场中的带电射入匀强磁场中的带电粒子将做怎样的运动呢粒子将做怎样的运动呢？思考：思考：判断下图中带电粒子（电量判断下图中带电粒子（电量q，重力不计）所受洛伦，重力不计）所受洛伦兹力的大小和方向：兹力的大小和方向：一、运动形式一、运动形式1、带电粒子平行射入匀强磁场时带电粒
2、子平行射入匀强磁场时匀速直线运动。匀速直线运动。2、带电粒子平行射入匀强磁场时做什么运动带电粒子平行射入匀强磁场时做什么运动【推理与猜想推理与猜想】（1 1） 时时 ，洛伦兹力的方向与速度方，洛伦兹力的方向与速度方向的关系向的关系（2 2）带电粒子仅在洛伦兹力的作用下，粒）带电粒子仅在洛伦兹力的作用下，粒子的速率变化么？能量呢？子的速率变化么？能量呢？（3 3）洛伦兹力如何变化？）洛伦兹力如何变化？（4 4）你猜想垂直于匀强磁场方向射入的带）你猜想垂直于匀强磁场方向射入的带电粒子可能做什么运动？电粒子可能做什么运动？垂直垂直加速电压加速电压选择挡选择挡磁场强弱选择挡磁场强弱选择挡亥姆霍兹线圈亥
3、姆霍兹线圈洛伦兹力洛伦兹力演示仪演示仪【实验验证实验验证】电子枪电子枪 与与 不垂直不垂直拓展：拓展：u粒子的轨迹是一条螺旋线粒子的轨迹是一条螺旋线 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径，与粒子的速度、磁场的磁感应的圆半径，与粒子的速度、磁场的磁感应强度有什么关系？强度有什么关系？思考与讨论什么力提供带电粒子做匀什么力提供带电粒子做匀速圆周运动的向心力？速圆周运动的向心力？向心力的计算公式是什么向心力的计算公式是什么？2、圆周运动的周期、圆周运动的周期思考：周期与速度、半径什么关系？思考：周期与速度、半径什么关系？带电粒子将在垂直于磁场的平面内做匀速圆周
4、动带电粒子将在垂直于磁场的平面内做匀速圆周动 1、圆周运动的半径、圆周运动的半径 通过格雷塞尔通过格雷塞尔气泡室气泡室气泡室气泡室显示的带电粒子在匀显示的带电粒子在匀强磁场中的运动径迹强磁场中的运动径迹1.1.不同带电粒子不同带电粒子的径迹半径为什的径迹半径为什么不一样？么不一样？2.2.同一条径迹上同一条径迹上为什么曲率半径为什么曲率半径会越来越小呢？会越来越小呢？ 提出问题：提出问题：能否从气泡能否从气泡室中带电粒子的径迹得到启室中带电粒子的径迹得到启发，设计一个仪器，将比荷发，设计一个仪器，将比荷不同、初速度几乎为零带电不同、初速度几乎为零带电粒子分开？粒子分开？设计方案设计方案：设一个
5、质量为设一个质量为m、电荷量为、电荷量为q q的的粒子粒子, ,从容器下方的小孔从容器下方的小孔S S1 1飘入电势差为飘入电势差为U U的加的加速电场速电场, ,其初速度几乎为零其初速度几乎为零, ,然后经过然后经过S S3 3沿着与沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为磁场垂直的方向进入磁感应强度为B B的匀强磁的匀强磁场中场中, ,最后打到照相底片最后打到照相底片D D上上. .求：求：(1)(1)求粒子进入磁场时的速率求粒子进入磁场时的速率(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质谱仪质谱仪通过测出粒子圆周运动的半径，计算粒子通过测出粒子圆周运动的半径，计算粒
6、子的比荷或质量及分析同位素的仪器的比荷或质量及分析同位素的仪器.阿斯顿阿斯顿 阿斯顿是英国物理学家，他长阿斯顿是英国物理学家，他长期从事同位素和质谱的研究。他首期从事同位素和质谱的研究。他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪，次制成了聚焦性能较高的质谱仪，并用此来对许多元素的同位素及其并用此来对许多元素的同位素及其丰度进行测量，从而肯定了同位素丰度进行测量，从而肯定了同位素的普遍存在。同时根据对同位素的的普遍存在。同时根据对同位素的研究，他还提出了元素质量的整数研究，他还提出了元素质量的整数法则。因此他荣获了法则。因此他荣获了1922年的诺年的诺贝尔化学奖。贝尔化学奖。Francis William
7、 Aston18771945 1 1、水平导线中有电流水平导线中有电流I I通过，导线正下方的通过，导线正下方的电子初速度的方向与电流电子初速度的方向与电流I I的方向相同，则电的方向相同，则电子将（子将（ ） v va ab bI IA.A.沿路径沿路径a a运动运动, ,轨迹是圆轨迹是圆B.B.沿路径沿路径a a运动运动, ,轨迹半径越来越大轨迹半径越来越大C.C.沿路径沿路径a a运动运动, ,轨迹半径越来越小轨迹半径越来越小D.D.沿路径沿路径b b运动运动, ,轨迹半径越来越小轨迹半径越来越小例与练例与练B 2 2、有三种粒子，分别是质子（）、氚核、有三种粒子，分别是质子（）、氚核、
8、（）和（）和粒子（）束，如果它们以相粒子（）束，如果它们以相同的速度沿垂直于磁场方向射入匀强磁场（磁同的速度沿垂直于磁场方向射入匀强磁场（磁场方向垂直纸面向里），在下图中，哪个图正场方向垂直纸面向里），在下图中，哪个图正确地表示出这三束粒子的运动轨迹？（）确地表示出这三束粒子的运动轨迹？（）例与练例与练C3 3、两个励磁线圈中每一线圈为两个励磁线圈中每一线圈为N =N =140140匝，半径为匝，半径为R R= 140 mm= 140 mm，两线圈，两线圈内的电流方向一致，大小相同为内的电流方向一致，大小相同为I I= 1.00A= 1.00A，线圈之间距离正好等于圆，线圈之间距离正好等于圆形
9、线圈的半径，在玻璃泡的区域内产生的磁场为匀强磁场，其磁感应形线圈的半径，在玻璃泡的区域内产生的磁场为匀强磁场，其磁感应强度强度 （特斯拉）。灯丝发出的电子经过加速电压为（特斯拉）。灯丝发出的电子经过加速电压为U U=125V=125V的电场加速后，垂直磁场方向进入匀强磁场区域，通过标尺测的电场加速后，垂直磁场方向进入匀强磁场区域，通过标尺测得圆形径迹的直径为得圆形径迹的直径为D D= 80.0mm= 80.0mm，请估算电子的比荷，请估算电子的比荷 。（答案保留。（答案保留2 2位有效数字）位有效数字）例与练例与练解：解：问题问题1 1：要认识原子核内部的情况，必须把：要认识原子核内部的情况，
10、必须把核核“打开打开”进行进行“观察观察”。然而，原子核被强然而，原子核被强大的核力约束，只有用极高能量的粒子作大的核力约束，只有用极高能量的粒子作为为“炮弹炮弹”去轰击，才能把它去轰击，才能把它“打开打开”。那么那么怎样才能产生这些高能炮弹呢？怎样才能产生这些高能炮弹呢？加速器加速器加速器中的径迹为直线，其加速装置要很长很长加速器中的径迹为直线，其加速装置要很长很长设计方案：设计方案：多级加速器多级加速器多级加速器多级加速器加利佛尼亚斯坦福大学的粒子加速器问题问题2 2：有没有什么办法可以让带电粒子在：有没有什么办法可以让带电粒子在加速后又转回来被第二次加速，如此反复加速后又转回来被第二次加
11、速，如此反复“转圈圈转圈圈”式地被加速，加速器装置所占的空式地被加速，加速器装置所占的空间不是会大大缩小吗？间不是会大大缩小吗？设计方案：设计方案：回旋加速器回旋加速器回旋加速器的原理回旋加速器的原理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，盒间缝形盒中有匀强磁场无电场，盒间缝隙有隙有交变电场交变电场。2）、交变电场的周期等于粒子做匀速圆周运）、交变电场的周期等于粒子做匀速圆周运动的周期。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
12、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、电量为电量为q的质子从间隙中心处由静止释放，求粒的质子从间隙中心处由静止释放，求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. 返回返回粒子获得最大速度粒子获得最大速度粒子获得最大速度粒子获得最大速度粒子获得最大动能粒子获得最大动能粒子获得最大动能粒子获得最大动能与加速电压无关！与加速电压无关！费米实验室环形加速器费米实验室环形加速器美国伊利诺斯州美国伊利诺斯州 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
13、盒半径，我们是不是就可以使带电粒子获形盒半径，我们是不是就可以使带电粒子获得任意高的能量吗？得任意高的能量吗？ 3、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。4 4、回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心的部分是分、回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心的部分是分别与高频交流电极相连的两个别与高频交流电极相连的两个D D形金属盒。两盒间的狭缝中形形金属盒。两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两两D D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示。要增形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示。要增大带电粒子射出的动能，则下列说法中正确的是（大带电粒子射出的动能，则下列说法中正确的是（ ）例与练例与练A.A.增大匀强电场间的加速电压增大匀强电场间的加速电压B.B.增大磁场的磁感应强度增大磁场的磁感应强度B BC.C.减少狭缝间的距离减少狭缝间的距离D.D.增大增大D D形金属盒的半径形金属盒的半径BD1)圆半径r2)周期T小结:2vqvB mr=2 rTvp=半径r跟速率v成正比.周期T跟圆半径r和速率v均无关.带电粒子垂直射入匀强磁场做匀速圆周运动洛伦兹力提供向心力作业布置课后作业1、2、3欢迎指导欢迎指导谢谢大家谢谢大家
