《36带电粒子在匀强磁场中的运动新人教版综合自用版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《36带电粒子在匀强磁场中的运动新人教版综合自用版（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章磁场第六节带电粒子在匀强磁场中的运动复习：问题1：什么是洛伦兹力？问题1：带电粒子在磁场中是否一定受到洛伦兹力？-磁场对运动电荷的作用力-不一定，洛伦兹力的计算式F洛洛=qVBsin 讨论：讨论：若带电粒子（不计重力）以沿着与若带电粒子（不计重力）以沿着与匀强磁场匀强磁场垂直垂直的方向射入磁场，粒子将如何运动？的方向射入磁场，粒子将如何运动？2、洛伦兹力的方向总是与速度方向垂直，洛、洛伦兹力的方向总是与速度方向垂直，洛伦兹力只会改变粒子速度的方向，不会改变伦兹力只会改变粒子速度的方向，不会改变其大小。其大小。 1、由于是匀强磁场，洛伦兹力大小保持不变、由于是匀强磁场，洛伦兹力大小保持不变
2、猜想与假设猜想与假设V V- -F洛洛 V V- -F洛洛V V- -F洛洛V V- -F洛洛讨论：讨论：若带电粒子（不计重力）以沿着与若带电粒子（不计重力）以沿着与匀强磁场匀强磁场垂直垂直的方向射入磁场，粒子将如何运动？的方向射入磁场，粒子将如何运动？2、洛伦兹力的方向总是与速度方向垂直，洛、洛伦兹力的方向总是与速度方向垂直，洛伦兹力只会改变粒子速度的方向，不会改变伦兹力只会改变粒子速度的方向，不会改变其大小。其大小。 1、由于是匀强磁场，洛伦兹力大小保持不变、由于是匀强磁场，洛伦兹力大小保持不变3、该带点粒子将会做匀速圆周运动，洛伦兹、该带点粒子将会做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力。力提
3、供向心力。 亥姆霍兹线圈亥姆霍兹线圈电电子子枪枪磁场强弱选择挡磁场强弱选择挡加速电压加速电压选择挡选择挡洛伦兹力演示器洛伦兹力演示器实验：实验：励磁线圈：作用是能在两线圈之间产生平行于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无磁场无磁场实验验证实验验证有磁场有磁场 实验现象：实验现象：1.不加磁场时电子的径迹是直线;2.加上匀强磁场时，电子的径迹变弯曲成圆形；3.磁场越强，径迹的半径越小；4.电子的出射速度越大，径迹的半径越大。一、一、带电粒子运动轨迹带电粒子运动轨迹1、圆周运动的半径、圆周运动的半径2、圆周运动的周
4、期、圆周运动的周期总结：由1式可知，粒子速度越大，轨迹半径 越大；磁场越强，轨迹半径越小。 由2式可知，粒子运动的周期与粒子的速度大小无关，磁场越强，周期越短。带电粒子在气泡室运动径迹的照片带电粒子在气泡室运动径迹的照片（1 1）不同带电粒子的径迹半径为何不同？）不同带电粒子的径迹半径为何不同？（2 2）同一径迹上为什么曲率半径越来越小？）同一径迹上为什么曲率半径越来越小？例例1 1：一个带电粒子，沿垂直于磁场的方向：一个带电粒子，沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场粒子的一段径迹如下图所射入一匀强磁场粒子的一段径迹如下图所示径迹上的每一小段都可近似看成圆弧示径迹上的每一小段都可近似看成圆弧由于带
5、电粒子使沿途的空气电离，粒子的能由于带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能量逐渐减小量逐渐减小( (带电量不变带电量不变) )从图中情况可以从图中情况可以确定确定A A粒子从粒子从a a到到b b，带正电，带正电B B粒子从粒子从a a到到b b，带负电，带负电C C粒子从粒子从b b到到a a，带正电，带正电D D粒子从粒子从b b到到a a，带负电，带负电 例例2 2、如图所示，在垂直纸面向里的匀强磁场中，有如图所示，在垂直纸面向里的匀强磁场中，有a a、b b两个电子从同一处沿垂直磁感线方向开始运动，两个电子从同一处沿垂直磁感线方向开始运动，a a的初速度为的初速度为v v，b b的初速度为
6、的初速度为2v2v则则 A Aa a先回到出发点先回到出发点 B Bb b先回到出发点先回到出发点 C Ca a、b b的轨迹是一对内切圆，且的轨迹是一对内切圆，且b b的半径大的半径大 D Da a、b b的轨迹是一对外切圆，且的轨迹是一对外切圆，且b b的半径大的半径大 ab 例例3 3、一带电粒子在磁感强度为一带电粒子在磁感强度为B B的匀强磁场中做匀速的匀强磁场中做匀速圆周运动，如它又顺利进入另一磁感强度为圆周运动，如它又顺利进入另一磁感强度为2B2B的匀强磁场的匀强磁场中仍做匀速圆周运动，则中仍做匀速圆周运动，则 A A、粒子的速率加倍，周期减半、粒子的速率加倍，周期减半 B B、粒
7、子的速率不变，轨道半径减半、粒子的速率不变，轨道半径减半 C C、粒子的速率减半，轨道半径变为原来的、粒子的速率减半，轨道半径变为原来的 1/41/4 D D、粒子速率不变，周期减半、粒子速率不变，周期减半 例例4： 一个质量为一个质量为m、电荷量为电荷量为q的粒子，从容器的粒子，从容器下方的小孔下方的小孔S1飘入电势差为飘入电势差为U的加速电场，其初速度几的加速电场，其初速度几乎为零，然后经过乎为零，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。上。（1）求粒子进入磁场时的速率。）求粒子
8、进入磁场时的速率。（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。 可见半径不同可见半径不同意味着比荷不同，意味着比荷不同，意味着它们是不同意味着它们是不同的粒子的粒子应用：应用：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.二、二、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆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时周期有何特征？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可见同一个粒子在匀强磁场中做匀
9、速圆周运动的周期与速度无关运动的周期与速度无关回旋加速器就是根据这一特点设计的回旋加速器就是根据这一特点设计的 1 1加速原理：加速原理： 利用加速电场对带电粒子做正功使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。二二. .加速器加速器直线加速器直线加速器+U+2 2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：二二. .加速器加速器直线加速器直线加速器斯斯坦坦福福大大学学的的加加速速器器多级直线加速器有什么缺点？多级直线加速器有什么缺点？直线加速器直线加速器 利用加速电场对带电粒子做正利用加速电场对带
10、电粒子做正功功,使带电的粒子动能增加，使带电的粒子动能增加，即即 qU =Ek直线加速器的多级加速：直线加速器的多级加速： 教材图教材图3.6-5所示的是多级所示的是多级加速装置的原理图，由动能定理可知，带电粒子加速装置的原理图，由动能定理可知，带电粒子经经n级的电场加速后增加的动能，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。间内制造直线加速器受到一定的限制。P1图图3.6-5多级加速器多级加速器P2P3P4P5P6一级一级二级二级三级三级n级级加速原理：加速
11、原理：2回旋加速器回旋加速器 1932年年,美国物理学家劳仑斯发明了美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器回旋加速器回旋加速器回旋加速器，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回旋加速器回旋加速器1 1、作用：产生高速运动的粒子、作用：产生高速运动的粒子2 2、原理原理 用磁场控制轨道、用电场进行加速用磁场控制轨道、用电场进行加速+- +-D Dv v= =？U UB B解：解：解：解：当粒子从当粒子从当粒子从当粒子从D D形盒出口飞出时，形盒出口飞出时
12、，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形盒的半径形盒的半径形盒的半径形盒的半径回旋加速器回旋加速器D Dv v= =？U UB B回旋加速器回旋加速器问题问题问题问题6 6：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?回旋加速器回旋加速器美国美国费米实验室加速器费米实验室加速器回旋加速器回旋加速器两两D形盒中有形盒中有匀强磁场匀强磁场无电场，盒无电场，盒间缝隙有间缝隙有交变电场交变电场。电场使粒子加速，磁场使粒子回旋。电场使粒子加速，磁场使粒子回旋。粒子回旋
13、的周期不随半径粒子回旋的周期不随半径改变。改变。让电场方向变化的让电场方向变化的周期与粒子回旋的周期一周期与粒子回旋的周期一致致，从而保证粒子始终被，从而保证粒子始终被加速。加速。1.在磁场中做圆周运动在磁场中做圆周运动,周期周期不变不变2.每一个周期加速两次每一个周期加速两次3.电场的周期与粒子在磁场中电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同做圆周运动周期相同4.电场一个周期中方向变化两电场一个周期中方向变化两次次5.粒子加速的最大速度由盒的粒子加速的最大速度由盒的半径决定半径决定6.电场加速过程中电场加速过程中,时间极短时间极短,可忽略可忽略结论结论7.粒子获得的最大动粒子获得的最大动能
14、只与加速器的半能只与加速器的半径径R和磁感应强度和磁感应强度B有关，与加速电压有关，与加速电压U无关。无关。例例3：关于回旋加速器的工作原理，下列说法正确的是：关于回旋加速器的工作原理，下列说法正确的是：A、电场用来加速带电粒子，磁场则使带电粒子回旋电场用来加速带电粒子，磁场则使带电粒子回旋B、电场和磁场同时用来加速带电粒子电场和磁场同时用来加速带电粒子C、同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大动能由加速电压决定动能由加速电压决定D、同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大动能由磁感应强度动能由磁感应强度
15、B决定和加速电压决定决定和加速电压决定 例例4：垂垂直直纸纸面面向向外外的的匀匀强强磁磁场场仅仅限限于于宽宽度度为为d的的条条形形区区域域内内，磁磁感感应应强强度度为为B一一个个质质量量为为m、电电量量为为q的的粒粒子子以以一一定定的的速速度度垂垂直直于于磁磁场场边边界界方方向向从从点点垂垂直直飞飞入入磁磁场场区区，如如图图所所示示，当当它它飞飞离离磁磁场场区区时时，运运动动方方向向偏偏转转角角试试求求粒粒子子在在磁磁场场中中运动的时间运动的时间t三、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的时间三、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的时间四、带电粒子在磁场中运动情况研究四、带电粒子在磁场中运动情况
16、研究1、找圆心：方法、找圆心：方法2、定半径：、定半径：3、确定运动时间：、确定运动时间：注意：用弧度表示用弧度表示几何法求半径几何法求半径向心力公式求半径向心力公式求半径利用利用vR利用弦的中垂线利用弦的中垂线301.1.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=2m/qBT=2r/v小结：小结：rt/T=3030o o/360360o oA=30vqvBqvB=mv=mv2 2/r/rt=T/12=m/6qB3、偏转角、偏
17、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/3vm=m=qBr/vqBr/v=2qdB/v=2qdB/vff 如图，虚线上方存在无穷大的磁场，一带正电的粒子质如图，虚线上方存在无穷大的磁场，一带正电的粒子质量量m m、电量、电量q q、若它以速度、若它以速度v v沿与虚线成沿与虚线成30300 0、90900 0、1501500 0、1801800 0角分别射入，请你作出上述几种情况
18、下粒子的轨迹、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。并求其在磁场中运动的时间。例：有界磁场中粒子运动轨迹的确定入射角入射角300时时入射角入射角1500时时粒子在磁场中做圆周运动的对称规律：粒子在磁场中做圆周运动的对称规律：从同一直线边界射入的粒子，从同一边界射出时，从同一直线边界射入的粒子，从同一边界射出时，速度与边界的夹角相等。速度与边界的夹角相等。1 1、两个对称规律：、两个对称规律：五、临界问题五、临界问题例：长为例：长为L的水平极板间，有垂直纸面向内的匀强磁场，如图所的水平极板间，有垂直纸面向内的匀强磁场，如图所示，磁感强度为示，磁感强度为B，板间距
19、离也为板间距离也为L，板不带电，现有质量为板不带电，现有质量为m，电量为电量为q的带正电粒子（不计重力），从左边极板间中点处垂的带正电粒子（不计重力），从左边极板间中点处垂直磁感线以速度直磁感线以速度v水平射入磁场，欲使粒子不打在极板上，可采水平射入磁场，欲使粒子不打在极板上，可采用的办法是：用的办法是： （ ）A使粒子的速度使粒子的速度v5BqL/4mC使粒子的速度使粒子的速度vBqL/mD使粒子速度使粒子速度BqL/4mv5BqL/4m 例题讲解例题讲解北京正负电子对撞机：撞出物质奥秘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大科学装置的存在和应用水平，是一个国家科学技术发展
20、的平，是一个国家科学技术发展的具象。它如同一块巨大的磁铁，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，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北京正负电子对撞机的重大改造工程就是要再添磁力。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，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。为示范之作。1988年年10月月16日凌晨实现第一次对撞时，曾被日凌晨实现第一次对撞时，曾被形容为形容为“我国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后，我国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之
21、后，在高科技领域又一重大突破性成就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。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造工程的实施，将让这一大科学装置“升级换代升级换代”，继续立在，继续立在国际高能物理的前端。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，北京正负电子对撞机重大改造工程完工后，将成为世界上将成为世界上最先进的双环对撞机之一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世界上最大、能量最高的粒子加速器欧洲大型强子对撞机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世界最大对撞机启动模拟宇宙大爆炸中国参与研究中国参与研究这项实验在深
22、入地底这项实验在深入地底100米、长达米、长达27公里的环型隧道内进行。公里的环型隧道内进行。科学家预计，粒科学家预计，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，就好比万倍，就好比137亿年前宇宙亿年前宇宙发生大爆炸时那一剎那的情况。发生大爆炸时那一剎那的情况。在瑞士和法国边界地在瑞士和法国边界地区的地底实验室内，科学区的地底实验室内，科学家们正式展开了被外界形家们正式展开了被外界形容为容为“末日实验末日实验”的备受的备受争议的计划。他们启动了争议的计划。他们启动了全球最大型的强子对撞机全球最大型的强子对撞机(LHC)，把次原子的粒子运把次原子的粒子运行速度加快至接近光速行速度加快至接近光速，并将互相撞击，模拟宇宙并将互相撞击，模拟宇宙初开初开“大爆炸大爆炸”后的情况。后的情况。科学家希望借这次实验，科学家希望借这次实验，有助解开宇宙间部分谜团。有助解开宇宙间部分谜团。但有人担心，今次实验或但有人担心，今次实验或会制造小型黑洞吞噬地球，会制造小型黑洞吞噬地球，令末日论流言四起。令末日论流言四起。
