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1、成才之路成才之路 物理物理路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮 吾将上下而求索吾将上下而求索人教版人教版 选修选修3-1 磁场磁场第三章第三章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 第三章第三章学习目标定位学习目标定位1课堂情景切入课堂情景切入2知识自主梳理知识自主梳理3重点难点突破重点难点突破4考点题型设计考点题型设计5易错案例剖析易错案例剖析6课堂知识构建课堂知识构建7学习目标定位学习目标定位掌握带电粒子在匀强磁场中的运动轨迹掌握带电粒子在匀强磁场中的运动轨迹及做功情况及做功情况了解质谱仪和回旋加速器的工作原理了解质谱仪和回旋加速器的工作原理课堂情景切入课堂情景切入美美国国费费米米
2、实实验验室室的的回回旋旋加加速速器器直直径径长长达达2km，请请你你探探究究分分析回旋加速器直径为什么要这样大？析回旋加速器直径为什么要这样大？知识自主梳理知识自主梳理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1.洛伦兹力的特点洛伦兹力的特点(1)洛洛伦伦兹兹力力不不改改变变带带电电粒粒子子速速度度的的_，或或者者说说，洛伦兹力对带电粒子不做功。洛伦兹力对带电粒子不做功。(2)洛洛伦伦兹兹力力方方向向总总与与速速度度方方向向_，正正好好起起到到了了向向心力的作用。心力的作用。大小大小垂直垂直无关无关 匀速圆周匀速圆周 质谱仪质谱仪用用来来分分析析各各种种元元素素的的同同位位素素并并测
3、测量量其其质质量量及及含含量量百百分分比比的的仪器。仪器。1构造构造如图所示，主要由以下几部分组成：如图所示，主要由以下几部分组成：带电粒子注射器带电粒子注射器加速电场加速电场(U)_照相底片照相底片速度选择器速度选择器(B1、E)偏转磁场偏转磁场(B2)qUqvB1.构造图构造图回旋加速器回旋加速器2工作原理工作原理(1)电场的特点及作用电场的特点及作用特特点点：两两个个D形形盒盒之之间间的的窄窄缝缝区区域域存存在在_的的电电场。场。作用：带电粒子经过该区域时被作用：带电粒子经过该区域时被_。(2)磁场的特点及作用磁场的特点及作用特点：特点：D形盒处于与盒面垂直的形盒处于与盒面垂直的_磁场中
4、。磁场中。作作用用：带带电电粒粒子子在在洛洛伦伦兹兹力力作作用用下下做做_运运动动，从从而改变运动方向，而改变运动方向，_周期后再次进入电场。周期后再次进入电场。周期性变化周期性变化加速加速匀强匀强匀速圆周匀速圆周半个半个重点难点突破重点难点突破一、带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动问题一、带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动问题1圆心的确定圆心的确定(1)已已知知入入射射方方向向和和出出射射方方向向时时，可可通通过过入入射射点点和和出出射射点点分分别别作作垂垂直直于于入入射射方方向向和和出出射射方方向向的的直直线线，两两条条直直线线的的交交点点就就是是圆弧轨道的圆心圆弧轨道的圆心(如图如图a所
5、示，图中所示，图中P为入射点，为入射点，M为出射点为出射点)。(2)已已知知入入射射点点和和出出射射点点的的位位置置时时，可可以以通通过过入入射射点点作作入入射射方方向向的的垂垂线线，连连接接入入射射点点和和出出射射点点，作作其其中中垂垂线线，这这两两条条垂垂线线的的交交点点就就是是圆圆弧弧轨轨道道的的圆圆心心(如如图图b所所示示，图图中中P为为入入射射点点，M为出射点为出射点)。2带电粒子在不同边界磁场中的运动带电粒子在不同边界磁场中的运动(1)直线边界直线边界(进出磁场具有对称性，如图所示进出磁场具有对称性，如图所示)(2)平行边界平行边界(存在临界条件，如图所示存在临界条件，如图所示)(
6、3)圆形边界圆形边界(沿径向射入必沿径向射出，如图所示沿径向射入必沿径向射出，如图所示)二二、带带电电粒粒子子在在匀匀强强磁磁场场中中做做匀匀速速圆圆周周运运动动的的程程序序解解题题法法三步法三步法1画轨迹画轨迹即确定圆心，几何方法求半径并画出轨迹。即确定圆心，几何方法求半径并画出轨迹。2找联系找联系轨轨道道半半径径与与磁磁感感应应强强度度、运运动动速速度度相相联联系系，偏偏转转角角度度与与圆圆心心角角、运运动动时时间间相相联联系系，在在磁磁场场中中运运动动的的时时间间与与周周期期、圆圆心心角角相联系。相联系。3用规律用规律即即牛牛顿顿第第二二定定律律和和圆圆周周运运动动的的规规律律，特特别别
7、是是周周期期公公式式、半半径公式。径公式。(河北正定中学河北正定中学20142015学年高二下学期期中学年高二下学期期中)两两个个质质量量相相同同、所所带带电电荷荷量量相相等等的的带带电电粒粒子子a、b，以以不不同同的的速速率率对对准准圆圆心心O沿沿着着AO方方向向射射入入圆圆形形匀匀强强磁磁场场区区域域，其其运运动动轨轨迹迹如如图图所所示示，若若不不计计粒粒子子的的重重力力，则则下下列列说说法法正正确确的的是是()Aa粒子带负电，粒子带负电，b粒子带正电粒子带正电Ba粒子在磁场中所受洛伦兹力较大粒子在磁场中所受洛伦兹力较大Cb粒子动能较大粒子动能较大Db粒子在磁场中运动时间较长粒子在磁场中运
8、动时间较长答案：答案：AC(2)电电场场的的作作用用：回回旋旋加加速速器器两两个个D形形盒盒之之间间的的窄窄缝缝区区域域存存在在周周期期性性变变化化的的并并垂垂直直于于两两D形形盒盒正正对对截截面面的的匀匀强强电电场场，带带电电粒子经过该区域时被加速。粒子经过该区域时被加速。(3)交交变变电电压压：为为保保证证带带电电粒粒子子每每次次经经过过窄窄缝缝时时都都被被加加速速，使使之之能能量量不不断断提提高高，需需在在窄窄缝缝两两侧侧加加上上跟跟带带电电粒粒子子在在D形形盒盒中中运动周期相同的交变电压。运动周期相同的交变电压。答案：答案：ACD考点题型设计考点题型设计如如图图所所示示，在在xOy平平
9、面面内内，y0的的区区域域有有垂垂直直于于xOy平平面面向向里里的的匀匀强强磁磁场场，磁磁感感应应强强度度为为B，一一质质量量为为m、带带电电量量大大小小为为q的的粒粒子子从从原原点点O沿沿与与x轴轴正正方方向向成成60角角方方向向以以v0射射入入，粒粒子子的的重重力力不不计计，求求带带电电粒粒子子在在磁磁场场中中运运动动的的时时间间和和带带电电粒粒子子离离开开磁场时的位置。磁场时的位置。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质谱谱仪仪原原理理如如图图所所示示，a为为粒粒子子加加速速器器，电电压压为为U1；b为为速速度度选选择择器器，磁磁场场与与电电场场正正交交，磁磁感感应应强
10、强度度为为B1，板板间间距距离离为为d；c为为偏偏转转分分离离器器，磁磁感感应应强强度度为为B2。今今有有一一质质量量为为m、电电荷荷量量为为e的的正正电电子子(不不计计重重力力)，经经加加速速后后，该该粒粒子子恰恰能能通通过过速速度度选择器，粒子进入分离器后做半径为选择器，粒子进入分离器后做半径为R的匀速圆周运动。求：的匀速圆周运动。求：关于质谱仪和回旋加速器的问题关于质谱仪和回旋加速器的问题(1)粒子射出加速器时的速度粒子射出加速器时的速度v为多少？为多少？(2)速度选择器的电压速度选择器的电压U2为多少？为多少？(3)粒子在粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径磁场中做匀速圆周运动的半径R
11、为多大？为多大？点评：点评：解答此类问题要做到：解答此类问题要做到：(1)对带电粒子进行正确的受力分析和运动过程分析。对带电粒子进行正确的受力分析和运动过程分析。(2)选取合适的规律，建立方程求解。选取合适的规律，建立方程求解。(安安徽徽黄黄山山市市20142015学学年年高高二二上上学学期期期期末末)回回旋旋加加速速器器是是加加速速带带电电粒粒子子的的装装置置，其其核核心心部部分分是是两两个个中中空空的的半半圆圆D形形金金属属盒盒，两两盒盒间间的的狭狭缝缝中中加加有有周周期期性性变变化化的的电电场场，使使粒粒子子在在通通过过狭狭缝缝时时都都能能得得到到加加速速，两两个个D形形金金属属盒盒处处
12、于于垂垂直直于于盒盒底底的的匀匀强强磁磁场场中中，如如图图所所示示，要要增增大大带带电电粒粒子子射射出出时时的的动动能能，则则下下列列说说法中正确的是法中正确的是()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减小磁场的磁感应强度减小磁场的磁感应强度C减小狭缝间的距离减小狭缝间的距离D增大增大D形金属盒的半径形金属盒的半径答案：答案：D如如图图所所示示，位位于于竖竖直直平平面面内内的的坐坐标标系系xOy，在在其其第第三三象象限限空空间间有有沿沿水水平平方方向向的的、垂垂直直于于纸纸面面向向外外的的匀匀强强磁磁场场，磁磁感感应应强强度度大大小小为为B0.5T，还还有有沿沿x轴轴负负方方向
13、向的的匀匀强强电电场场，场场强强大大小小为为E2N/C。在在其其第第一一象象限限空空间间有有沿沿y轴轴负负方方向向的的、场场强强大大小小也也为为E的的匀匀强强电电场场，并并在在yh0.4m的的区区域域有有磁磁感感应应强强度度也也为为B的的垂垂直直于于纸纸面面向向里里的的匀匀强强磁磁场场。一一个个带带电电荷荷量量为为q的的油油滴滴从从图图中中第第三三象象限限的的P点点得得到到一一初初速速度度，恰恰好好能能沿沿PO作作匀匀速速直直线线运运动动(PO与与x轴轴负负方方向向的的夹夹角角为为45)，并并从从原原点点O进进入入第第一一象象限限。已知重力加速度已知重力加速度g10m/s2，问：，问：带电粒子
14、在复合场中的运动带电粒子在复合场中的运动 (1)油油滴滴在在第第三三象象限限运运动动时时受受到到的的重重力力、电电场场力力、洛洛伦伦兹兹力力三力的大小之比，并指出油滴带何种电荷；三力的大小之比，并指出油滴带何种电荷；(2)油滴在油滴在P点得到的初速度大小；点得到的初速度大小；(3)油滴在第一象限运动的时间。油滴在第一象限运动的时间。 解析：解析：(1)根据受力分析根据受力分析(如图如图)可知可知(湖湖南南安安化化一一中中20142015学学年年高高二二上上学学期期期期末末)如如图图所所示示，直直角角坐坐标标系系xOy位位于于竖竖直直平平面面内内，在在水水平平的的x轴轴下下方方存存在在匀匀强强磁
15、磁场场和和匀匀强强电电场场，磁磁场场的的磁磁感感应应强强度度为为B，方方向向垂垂直直xOy平平面面向向里里，电电场场线线平平行行于于y轴轴。一一质质量量为为m、电电荷荷量量为为q的的带带正正电电荷荷的的小小球球，从从y轴轴上上的的A点点水水平平向向右右抛抛出出。经经x轴轴上上的的M点点进进入入电电场场和和磁磁场场，恰恰能能做做匀匀速速圆圆周周运运动动，从从x轴轴上上的的N点点第第一一次次离离开开电电场场和和磁磁场场，MN之之间间的的距距离离为为L，小小球球过过M点点时时的的速速度度方方向向与与x轴正方向夹角为轴正方向夹角为。不计空气阻力，重力加速度为。不计空气阻力，重力加速度为g，求：，求：(1)电场强度电场强度E的大小和方向；的大小和方向；(2)小球从小球从A点抛出时初速度点抛出时初速度v0的大小；的大小；(3)A点到点到x轴的高度轴的高度h。易错案例剖析易错案例剖析正确答案：正确答案：0.1T课堂知识构建课堂知识构建
