带电粒子在叠加场中运动

课 题：关于带电粒子在叠加场中运动的习题课教学目标：1、知道三种场力的特点及对带电粒子的作用情况2、能熟练分析带电粒子在叠加场中的受力情况3、掌握带电粒子在叠加场中运动的最基本模型速度选择器教学重点：1、能熟练分析带电粒子在叠加场中的受力情况2、掌握带电粒子在叠加场中运动的最基本模型速度选择器教学难点：1、带电粒子在叠加场中的受力分析2、最基本模型速度选择器的拓宽与应用教学方法：讲解、讨论、练习教 具：课 时：2课时教学过程：一、 叠加场的概念 “叠加场”是指在某区域同时存在电场和磁场；同时存在磁场和重力场；同时存在电场和重力场；同时存在电场、磁场和重力场的情况，也叫“复合场”二、三种场力的特点1、重力的特点：其大小为mg，方向竖直向下；做功与路径无关，与带电粒子的质量及起、讫点的高度差有关2、电场力的特点：大小为qE，方向与E的方向及电荷的种类有关；做功与路径无关，与带电粒子的带电量及起、讫点的电势差有关3、磁场力的特点：大小与带电粒子的速度、磁感应强度、带电量及速度与磁感应强度间的夹角有关，方向垂直于B和V决定的平面；无论带电粒子在磁场中做什么运动，磁场力都不做功三、速度选择器的原理U加速电场带电粒子束V偏转电场E偏转磁场BqS2S11、原理图VfF2、带电粒子的受力特点：电场力F与洛仑兹力f方向相反3、带电粒子匀速通过速度选择器的条件：带电粒子匀速通过速度选择器是指粒子从S1水平射入，沿直线匀速通过叠加场区，并从S2水平射出。从不同的角度看有两个等效条件从力的角度看，电场力F与洛仑兹力f平衡，即 推出 从功的角度看，电场力对带电粒子不做功，即4、使粒子匀速通过速度选择器的两种途径：当V一定时，调节E和B的大小，保证电场力F与洛仑兹力f平衡当E和B一定时调节V（也就是调节加速电压U的大小） 推出 5、两个重要的功能关系当进入速度选择器的带电粒子的速度时，粒子因偏转而不能通过速度选择器。设粒子在电场中偏移了d后的速度为V，则当时：，粒子向f方向偏移，F做负功，粒子动能减小，电势能增加。由能量守恒定律得当时：，粒子向F方向偏移，F做正功，粒子动能增加，电势能减小。由能量守恒定律得【例题】qvB如图所示，质量为m、带电量为q的粒子，从两平行带电极板正中央垂直电场线和磁感线以速度V飞入场区。已知板间距离为d，磁感应强度为B，这时粒子恰能沿直线穿过场区（不计重力）。现将磁感应强度增大到某一数值，则粒子将落到极板上，试求当粒子落到极板上时动能的大小为多少？解：磁场增加前有 磁场增加后有两式联立 四、速度选择器的拓宽与应用vab【磁流体发电机】如图所示是等离子体发电机的示意图，平行金属板间的匀强磁场的磁感应强度B=0.5T，两板间距离为20，要使ab端的输出电压为220V，则等离子垂直射入磁场的速度为多少？ 解： ，代入数据得V=2200m/s【电磁流量计】dba导电液体如图所示为电磁流量计的示意图，直径为d的非磁性材料制成的圆形导管内，有可以导电的液体流动，磁感应强度为B的匀强磁场垂直液体流动方向而穿过一段圆形管道。若测得管壁内a、b两点的电势差为U，试求管中液体的流量Q为多少m3/s解： ；得 【霍尔效应】hdBIAA如图所示，厚度为h，宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A会产生电势差。这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I的B的关系为：式中的比例系数K称为霍尔系数。霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛仑兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场。横向电场对电子施加与洛仑兹力方向相反的静电力。当静电力与洛仑兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流I是由电子的定向移动形成的，电子的平均定向速度为V，电量为e，回答下列问题：（1）达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势 下侧面A的电势（填高于、低于或等于）（2）电子所受洛仑兹力的大小为多少？（3）当导体板上下两侧之间的电势差为U时，电子所受的静电力为多少？（4）由静电力和洛仑兹力平衡的条件，证明霍尔系数为。其中n代表导体板单位体积中电子的个数【解答】（1）低于 （2） （3）或（4）电子受到横向静电力的洛仑兹力的作用，两力平衡时有 得 通过导体的电流强度为：（式中：n代表导体板单位体积中电子的个数；代表长度；表横截面积）由，得：所以：【测定电子的比荷】1897年，物理学家汤姆生正式测定了电子的比荷，打破了原子是不可再分的最小单位的观点，因此，汤姆生的实验是物理学发展史上最著名的经典实验之一。在实验中，汤姆生采用了如图所示的阴极射线管，从电子枪C出来的电子经过A、B间的电场加速后，水平射入长度为L的D、E平行板间，接着在荧光屏F中心出现荧光斑。若在D、E间加上方向向下、场强为E的匀强电场，电子将向上偏转；如果再利用通电线圈在D、E电场区加上一垂直纸面的磁感应强度为B的匀强磁场（图中未画出）荧光斑恰好回到荧光屏中心。接着再去掉电场，电子向下偏转，偏转角为。试解决下列问题：（1）在图中画出磁场B的方向阴极阴极CABDEF（2）根据L、E、B和，求出电子的比荷解（1）磁场方向垂直纸面向里（2）当电子在D、E间做匀速直线运动时有：当电子在D、E间的磁场中偏转时有：同时又有：可得：