《第六节：带电粒子在匀强磁场中的运动》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第六节：带电粒子在匀强磁场中的运动（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、讨论与交流: 一个带电粒子分别以平一个带电粒子分别以平行、垂直和倾斜于磁场方向的行、垂直和倾斜于磁场方向的初速度进入匀强磁场，它在磁初速度进入匀强磁场，它在磁场中各做什么运动？场中各做什么运动？一、带电粒子在磁场中的运动（1 1）“平行平行”进入：进入： B Bv v（2 2）“垂直垂直”进入：进入：B Bv v（2 2）“垂直垂直”进入：进入：B Bv vf fv v实验验证实验验证（实践是检验真理的唯一标准）（实践是检验真理的唯一标准）观察与思考观察与思考 猜想猜想（1 1）未加磁场时，电子束的径）未加磁场时，电子束的径迹怎样？迹怎样？为什么？为什么？ （）加上匀强磁场时，令电子束垂直）加
2、上匀强磁场时，令电子束垂直地射入磁场，其径迹又怎样？地射入磁场，其径迹又怎样？为什么？为什么？（）（）加上匀强磁场加上匀强磁场，电子运动方向与，电子运动方向与磁场平行磁场平行电子束的径迹怎样？电子束的径迹怎样？为什么？为什么？（介绍洛伦兹力演示仪）（介绍洛伦兹力演示仪）总结与交流： 一一高速高速电子电子射射入匀强磁场，它在磁场中入匀强磁场，它在磁场中受力如何？受力如何？如何如何运动？运动？（忽略重力影响）（忽略重力影响）（1 1）“平行平行”进入：进入： （2 2）“垂直垂直”进入：进入：做匀速直线运动做匀速直线运动做平抛运动？做平抛运动？ 做匀速圆周运动？做匀速圆周运动？提示提示: :注意物
3、体运动性质的分析方法注意物体运动性质的分析方法粒子的初速粒子的初速v v垂直于垂直于B B，粒，粒子作匀速圆周运动子作匀速圆周运动+ + q, mq, mR R 讨论：讨论：若带电粒子质量为若带电粒子质量为 m m，电荷量，电荷量为为 q q，粒子以垂直于磁场的初速度，粒子以垂直于磁场的初速度 v v 进入匀强磁场，已知磁场的磁感应强进入匀强磁场，已知磁场的磁感应强度为度为 B B。你能求出带电粒子在磁场中。你能求出带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径和周期吗？做匀速圆周运动的半径和周期吗？qvBqvBm m v v2 2r r半径：半径：r rmvmvqBqB周期：周期：T T2m2m qB
4、 qB半径与速度大小成正比，半径与速度大小成正比，周期与速度大小无关！周期与速度大小无关！讨论与交流：讨论与交流：从半径和周期从半径和周期公式你发现有何规律？公式你发现有何规律？ 应应用用1 1如如图图所所示示，在在垂垂直直纸纸面面向向里里的的足足够够大大的的匀匀强强磁磁场场中中，有有a a、b b两两个个电电子子从从同同一一处处沿沿垂垂直直磁磁感感线线方方向向开开始始运运动动，a a的的初初速速度度为为v v，b b的初速度为的初速度为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同时回到出发点同时回到出发点 D D不能确
5、定不能确定 C C应用应用2 2：一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。粒子的一段径迹如图所示。射入一匀强磁场。粒子的一段径迹如图所示。径迹上的每一小段都可近似看成圆弧。由于径迹上的每一小段都可近似看成圆弧。由于带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能量逐带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能量逐渐减小（粒子的带电量不变），从图中的情渐减小（粒子的带电量不变），从图中的情况可以确定（况可以确定（ ） 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
6、D. D. 粒子从粒子从b b到到a a，带负电，带负电 a ab bC C（3）如果电荷的运动方）如果电荷的运动方向与磁场的方向既不平行，向与磁场的方向既不平行，也不垂直时，电荷所受洛也不垂直时，电荷所受洛伦兹力情况如何？伦兹力情况如何？（3 3）“倾斜倾斜”进入：进入：B BV V（3 3）“倾斜倾斜”进入：进入：B Bv v(4)、继续讨论与交流：（1 1）带电粒子在电场中）带电粒子在电场中的运动情况如何？的运动情况如何？ （2 2）带电粒子在电场和）带电粒子在电场和磁场共同存在的区域运动磁场共同存在的区域运动情况又怎样？情况又怎样？1.1.课本课本P102P102：T1,T2 T1,T
7、2 做在练习本上做在练习本上作业作业2.2.完成完成达标训练达标训练P151-152P151-152训练训练6 63 3. .学案做到学案做到P P68684.4.预习预习P69-70P69-70学案学案7 7二、质谱仪二、质谱仪结构与原理结构与原理加速电场：加速电场：使带电粒子加速使带电粒子加速速度选择器：速度选择器：选择粒子选择粒子选出的粒子选出的粒子 v vE EB B1 1偏转磁场区：偏转磁场区：使带电粒子轨迹发生偏转，并被拍照使带电粒子轨迹发生偏转，并被拍照因偏转半径因偏转半径 r rmv/qBmv/qB2 2故荷质比为故荷质比为 q/mq/mE/BE/B1 1B B2 2r r研究
8、同位素（测荷质比）的装置研究同位素（测荷质比）的装置同位素：电荷量相同，同位素：电荷量相同，质量有微小差别的元素质量有微小差别的元素 质谱仪是由汤姆生的学质谱仪是由汤姆生的学生阿斯顿（生阿斯顿（F.W.Aston,1877-F.W.Aston,1877-1945)1945)发明的，他用质谱仪首先发明的，他用质谱仪首先得到了氖得到了氖-20-20和氖和氖-22-22的质谱线，的质谱线，证实了同位素的存在。证实了同位素的存在。阿斯顿因阿斯顿因发明质谱仪和发现非放射性元素发明质谱仪和发现非放射性元素的同位素等贡献而获得的同位素等贡献而获得19221922年度年度诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖如何敲开原子核
9、的大门？如何敲开原子核的大门？ 要认识原子核内部的情况，必须把核要认识原子核内部的情况，必须把核“打打开开”进行进行“观察观察”。 然而，原子核内部的质子和中子间有强大然而，原子核内部的质子和中子间有强大的核力，只有用极高能量的粒子作为的核力，只有用极高能量的粒子作为“炮炮弹弹”去轰击，才能把它去轰击，才能把它“打开打开”。 产生这些高能炮弹的产生这些高能炮弹的“工厂工厂”就是各种各就是各种各样的粒子加速器。样的粒子加速器。 提升加速电压可以得到高能粒子，然而产提升加速电压可以得到高能粒子，然而产生过高电压的电压的技术是很困难的。生过高电压的电压的技术是很困难的。多级加速之直线加速器多级加速之
10、直线加速器 由在高真空隧道内中由在高真空隧道内中N N个共轴金属圆筒构成。个共轴金属圆筒构成。 每次粒子到达筒间间隙时，每次粒子到达筒间间隙时，筒间有加速电场。筒间有加速电场。 筒内没有电场，粒子在筒内做匀速直线运动。筒内没有电场，粒子在筒内做匀速直线运动。 产生电场的电源是交流电源。产生电场的电源是交流电源。 缺点：占空间大。缺点：占空间大。 为了解决上述矛盾，为了解决上述矛盾，19301930年年美国加利福尼亚州伯克利加州大学美国加利福尼亚州伯克利加州大学的劳伦斯（的劳伦斯（Ernest Orlando Ernest Orlando Lawrence,1901Lawrence,190119
11、58)1958)制成了世界制成了世界上上第一台回旋加速器第一台回旋加速器，其真空室的其真空室的直径只有直径只有10.2cm.10.2cm.此后，劳伦斯经过此后，劳伦斯经过改进又制成了实用的回旋加速器。改进又制成了实用的回旋加速器。他因发明和发展了回旋加速器获得他因发明和发展了回旋加速器获得19391939年度年度诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖带电粒子每旋转半周到达空隙，即被加速带电粒子每旋转半周到达空隙，即被加速三、回旋加速器三、回旋加速器结构与原理结构与原理“回旋回旋”区：区：两个两个D形盒子形盒子 处于真空、匀强磁场中处于真空、匀强磁场中加速区：加速区：两个两个D形盒子之间的空隙形盒子之间的
12、空隙 空隙间有交变电场空隙间有交变电场 粒子速度增大，旋转半径也增大，但粒子速度增大，旋转半径也增大，但运转周期不变运转周期不变使带电粒子获得高能量的装置使带电粒子获得高能量的装置回旋加速器回旋加速器讨论与交流1 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时，如因速率运动时，如因速率v v增大引起增大引起r r增大，增大，其运动周期其运动周期T T是否变化？是否变化？ 盒缝宽度远小于盒半径，粒子通过盒缝宽度远小于盒半径，粒子通过盒缝的时间可以忽略。盒缝的时间可以忽略。为使带电粒为使带电粒子每次经过两子每次经过两D D形盒的间隙时，恰能形盒的间隙时，恰能受到电场力作用且加速
13、，受到电场力作用且加速，高频电源高频电源的周期的周期T T和频率和频率f f应符合什么要求？应符合什么要求？讨论与交流2 设回旋加速器设回旋加速器D D形盒的半径为形盒的半径为R R，匀强，匀强磁场的磁感应强度为磁场的磁感应强度为B B，则该回旋加速器最多，则该回旋加速器最多可以将质量为可以将质量为m m，电荷量为，电荷量为q q的带电粒子加速到的带电粒子加速到多大的速度？其最大速度取决于什么？多大的速度？其最大速度取决于什么？ 2020世纪世纪3030年代末期，科学年代末期，科学家们发现，被回旋加速器加速的粒家们发现，被回旋加速器加速的粒子的最大能量是受到限制的，其主子的最大能量是受到限制的
14、，其主要原因是相对论效应。要原因是相对论效应。当能量很高当能量很高时，粒子速度非常大，其质量增大时，粒子速度非常大，其质量增大就不能忽略了。就不能忽略了。因此，粒子绕行一因此，粒子绕行一周所需的时间也逐渐增大了。如果周所需的时间也逐渐增大了。如果高频电压的频率保持不变，电场力高频电压的频率保持不变，电场力就可能会对粒子的运动起阻碍作用。就可能会对粒子的运动起阻碍作用。回旋加速器的改进回旋加速器的改进 一种改进方案是在保持磁场不一种改进方案是在保持磁场不变的情况下，变的情况下，令高频电压的频率随令高频电压的频率随粒子速度的增加而减小，使其与粒粒子速度的增加而减小，使其与粒子做圆周运动的频率保持同
15、步，子做圆周运动的频率保持同步，从从而使电场力总是起到加速粒子的作而使电场力总是起到加速粒子的作用，按这一原理设计的加速器称为用，按这一原理设计的加速器称为同步回旋加速器。同步回旋加速器。 另一种改进方案是让磁感强度另一种改进方案是让磁感强度随粒子随粒子动量动量的增加而同步增大，使的增加而同步增大，使得粒子能够保持在固定的圆周上运得粒子能够保持在固定的圆周上运动。动。同时，还要保证加速电场的频同时，还要保证加速电场的频率与粒子做圆周运动的频率同步变率与粒子做圆周运动的频率同步变化。化。由于粒子始终在一个圆形轨道由于粒子始终在一个圆形轨道上运动，磁场区域可以大为缩小，上运动，磁场区域可以大为缩小
16、，因此磁铁的重量也大为减轻。这种因此磁铁的重量也大为减轻。这种加速器称为同步加速器。加速器称为同步加速器。 目前最大的目前最大的加速器是美加速器是美国费米国家国费米国家加速器实验加速器实验室的一台质室的一台质子同步加速子同步加速器，它可以器，它可以把质子加速把质子加速到到1000Gev1000Gev跨国的加速器跨国的加速器其它领域l磁流体发电机：磁流体发电机：教材教材P98P98第第4 4题题l磁流体发电机是一种直接将内能磁流体发电机是一种直接将内能转化成电能的装置。转化成电能的装置。l若等离子气体的速度为若等离子气体的速度为v v，磁场的，磁场的磁感应强度为磁感应强度为B B，试讨论该发电机
17、，试讨论该发电机的电动势（空载电压）。的电动势（空载电压）。中国三大高能物理研究装置中国三大高能物理研究装置（1 1）北京正负电子对撞机：）北京正负电子对撞机：始建于始建于19841984年年1010月月7 7日，日，19881988年年1010月建成，包括正负电子对撞月建成，包括正负电子对撞机、北京谱仪（大型粒子探测器）和北京同机、北京谱仪（大型粒子探测器）和北京同步辐射装置。北京正负电子对撞机的建成，步辐射装置。北京正负电子对撞机的建成，为我国粒子物理和同步辐射的应用研究开辟为我国粒子物理和同步辐射的应用研究开辟了广阔的前景。它的主要性能指标达到了广阔的前景。它的主要性能指标达到2020世
18、世纪纪8080年代国际先进水平，年代国际先进水平，一些性能指标迄今一些性能指标迄今仍然是国际同类装置中最好的。仍然是国际同类装置中最好的。（2 2）合肥同步辐射装置：）合肥同步辐射装置：始建于始建于19841984年年4 4月，月，19891989年年4 4月月2626日正式建成，迄今已建成日正式建成，迄今已建成5 5个实个实验站，接待了大量国内外用户，取得了大量验站，接待了大量国内外用户，取得了大量有价值的成果。有价值的成果。（3 3）兰州重离子加速器：我国自行研）兰州重离子加速器：我国自行研制的第一台重离子加速器，同时也制的第一台重离子加速器，同时也是我国到目前为止最高、是我国到目前为止最
19、高、可加速的可加速的粒子种类最多、规模最大的重离子粒子种类最多、规模最大的重离子加速器。加速器。这是在世界上继法国、日这是在世界上继法国、日本之后的第三台同类大型回旋加速本之后的第三台同类大型回旋加速器，于器，于19891989年年1111月投入正式运行，月投入正式运行，主要指标达到国际先进水平。主要指标达到国际先进水平。图图4 本课小结：本课小结：一、带电粒子在磁场中的运动一、带电粒子在磁场中的运动平行磁感线进入：平行磁感线进入：做匀速直线运动做匀速直线运动垂直磁感线进入：垂直磁感线进入：做匀速圆周运动做匀速圆周运动半径：半径：RmvqB周期：周期：T2m qB二、质谱仪：二、质谱仪：研究同
20、位素（测荷质比）的装置研究同位素（测荷质比）的装置由加速电场、速度选择器、偏转磁场组成由加速电场、速度选择器、偏转磁场组成三、回旋加速器：三、回旋加速器：使带电粒子获得高能量的装置使带电粒子获得高能量的装置由由D形盒、高频交变电场等组成形盒、高频交变电场等组成思考与交流：思考与交流：1 1、如图所示，回旋加速器的两、如图所示，回旋加速器的两D D形金属盒处于形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中，设匀强磁场的磁垂直于盒底面的匀强磁场中，设匀强磁场的磁感应强度为感应强度为B B，D D形金属盒的半径为形金属盒的半径为R R，狭缝间，狭缝间的距离为的距离为d d，加速电压为，加速电压为U U，若要增
21、大带电粒子，若要增大带电粒子（电荷量为（电荷量为q q、质量为、质量为m m，不计重力）射出时的，不计重力）射出时的动能，则下列方法哪些可行（动能，则下列方法哪些可行（ ）C D 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减小狭缝间的距离减小狭缝间的距离C C增大磁场的磁感应强度增大磁场的磁感应强度 D D增大增大D D形金属盒的半径形金属盒的半径2、如图为质谱仪的原理图。电荷量为、如图为质谱仪的原理图。电荷量为q，质量为，质量为m的带正电的带正电粒子从静止开始经过电势差为粒子从静止开始经过电势差为U的加速电场加速后，进入粒的加速电场加速后，进入粒子速度选择器，选择器中存在
22、相互垂直的匀强电场和匀强磁子速度选择器，选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的场强为场，匀强电场的场强为E，方向水平向右。已知带电粒子能，方向水平向右。已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器，从够沿直线穿过速度选择器，从G点垂直于点垂直于MN进入偏转磁场。进入偏转磁场。该偏转磁场是一个以直线该偏转磁场是一个以直线MN为上边界、方向垂直于纸面向为上边界、方向垂直于纸面向外的匀强磁场。带电粒子经偏转磁场后，外的匀强磁场。带电粒子经偏转磁场后，最终到达照相底片上的最终到达照相底片上的H点。测得点。测得G、H间的距离为间的距离为 l，重力可忽略不计。，重力可忽略不计。求：求：粒子从加速电场射出时速度粒子从加速电场射出时速度v的大小。的大小。粒子速度选择器中匀强粒子速度选择器中匀强磁场的磁感应强度磁场的磁感应强度B1的大小和方向。的大小和方向。偏转磁场的磁感应强度偏转磁场的磁感应强度B2的大小。的大小。 （1） （2） （3） 1.1.课本课本P102P102：T3,T4 T3,T4 做在练习本上做在练习本上作业作业2.2.完成完成达标训练达标训练P151-152P151-152训练训练6 63 3. .学案做到学案做到P P68684.4.预习预习P69-70P69-70学案学案7 7多谢指导
