带电粒子在匀强磁场中的运动第课时

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动,1,1、你对洛伦兹力有哪些了解？,大小：,fqvBsin（是,V,与,B,间的夹角）,方向： 用左手定则判断,对运动电荷永不做功：,因为 f 始终垂直于 v,2、物体在什么情况下做匀速圆周运动？,v r 2T,Fm mr,2,mr,v,2,r,4,2,T,2,3、你还记得下列公式吗？,合力方向始终垂直于速度方向，大小恒定,2,洛伦兹力演示仪,工作原理：由电子枪发出的电子射线可以使管,的低压水银蒸汽发出辉光，显示出电子的径迹。,两个平行的通电环形线圈可产生沿轴线方向的匀强磁场,3,演示：,用洛伦兹力演示仪观察运动电子在磁场中的偏转。首先进行讨论，根据洛伦兹力的知识预测电子束的径迹，然后观察检验你的预测。,（视频）,1、不加磁场时观察电子束的径迹。,2、给励磁线圈通电，在玻璃泡中产生沿两线圈中心连线方向、由纸内指向读者的磁场，观察电子束的径迹。,3、保持出射电子束的速度不变，改变磁感应强度，观察电子束径迹的变化。,4、保持磁感应强度不变，改变出射电子的速度，观察电子束径迹的变化。,4,结论：,带电粒子,垂直,进入磁场中，粒子在,垂直,磁场方向的平面内做,匀速圆周运动,，此洛伦兹力不做功。,实验现象：在暗室中可以清楚地看到，在没有磁场作用时，电子的径迹是直线；在管外加上匀强磁场，电子的径迹变弯曲成圆形。,5,轨迹平面,与磁场垂直,因为带电粒子的初速度和所受洛伦兹力的方向都在跟磁场方向垂直的平面内，没有任何作用使粒子离开这个平面,速度大小,不变,因为洛伦兹力总是跟粒子的运动方向垂直,所以洛伦兹力不对粒子做功，粒子的速度大小不变,速度方向,时刻改变,因为洛伦兹力总是跟粒子的运动方向垂直，所以速度方向改变,受力大小,不变,因为速度大小不变,所以洛伦兹力大小也不变,受力方向,时刻改变,因为速度方向改变，所以洛伦兹力方向也改变,轨迹形状,圆,因为带电粒子受到一个大小不变，方向总与粒子运动方向垂直的力，因此带电粒子做匀速圆周运动，其向心力就是洛伦兹力,6,一、带电粒子在磁场中的运动,讨论与交流：,一个带电粒子分别以平行和垂直于磁场方向的初速度进入匀强磁场，它在磁场中各做什么运动？,“平行”进入：,做匀速直线运动,“垂直”进入：,做匀速圆周运动,带电粒子在磁场中运动时，它所受的洛伦兹力总与速度方向垂直，洛伦兹力在速度方向没有分量，所以,洛伦兹力不改变带电粒子速度的大小，或者说洛伦兹力不对带电粒子做功，不改变粒子的能量。,由于粒子速度的大小不变，所以粒子在匀强磁场中所受洛伦兹力的大小也不改变，加之洛伦兹力总与速度方向垂直，正好起到了向心力的作用。所以,沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在匀强磁场中做匀速圆周运动。,分析：,7,问题：,一带电量为q，质量为m，速度为v的带电粒子垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，其半径r和周期T为多大？,8,推导:,粒子做匀速圆周运动所需的向心力 是由,粒子所受的洛伦兹力提供的,所以,说明:,1、轨道半径和粒子的运动速率成正比。,2、带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期和运动速率无关。,9,通过威尔逊云室显示的正负电子在匀强磁场中的运动径迹,10,通过格雷塞尔气泡室显示的带电粒子在匀强磁场中的运动径迹,11,例题2：如图所示，一束带正电的相同的粒子垂直磁场边界自O点射入匀强磁场中后分成了3束，其运动轨迹如图，粒子运动方向与磁场方向垂直，不计粒子的重力作用，已知OA=OC/2=OD/3，则这三束粒子的速率之比,=,12,总结：（不计粒子重力）,当B平行于V射入时，粒子做什么运动？,当B垂直于V射入时，粒子做什么运动？,当B与V有一定夹角时，粒子做什么运动？,13,例题,.一个质量为,m,、电荷量为,q,的粒子,从容器下方的小孔S,1,飘入电势差为,U,的加速电场,其初速度几乎为零,然后经过S,3,沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为,B,的匀强磁场中,最后打到照相底片D上.,(1)求粒子进入磁场时的速率,(2)求粒子在磁场中运动的轨道半径,二、质谱仪,14,偏,转,：,质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的，他用质谱仪发现了氖,20和氖22，证实了同位素的存在。现在质谱仪已经是一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。,15,二、质谱仪,视频,结构与原理,加速电场：,使带电粒子加速,速度选择器：,选择粒子,选出的粒子,vEB,1,偏转磁场区：,使带电粒子轨迹发生偏转，并被拍照,因偏转半径,rmv/qB,2,故荷质比为,q/mE/B,1,B,2,r,发明者：,阿斯顿,研究同位素（测荷质比）的装置,16,1加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，,qU=,E,k,2直线加速器，多级加速,如图所示是多级加速装置的原理图：,加速器,（一）、直线加速器,视频,17,由动能定理得带电粒子经,n,极的电场加速后增加的动能为：,3直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制,18,三、回旋加速器,1,1932,年美国物理学家,劳伦斯,发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内进行多级加速,2工作原理：,利用电场对带电粒子的加速作用,和,磁场对运动电荷的偏转作用,来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件两个,D,形盒和其间的窄缝内完成。,19,1931年，加利福尼亚大学的劳 伦斯提出了一个卓越的思想，通 过磁场的作用迫使带电粒子沿着 磁极之间做螺旋线运动,把长长 的电极像卷尺那样卷起来，发明 了回旋加速器，第一台直径为27cm的回旋,回速器投入运行，它能将质子,加速到1Mev。,1939年劳伦斯获诺贝尔,物理奖。,20,回旋加速器,原理,视频,21,（1）磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，并在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期和速率、半径均无关，,带电粒子每次进入,D,形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场中加速,（2）电场的作用：回旋加速器的两个,D,形盒之间的窄缝区域存在,周期性变化的并垂直于两,D,形盒正对截面的匀强电场，,带电粒子经过该区域时被加速,（3）交变电压：为了保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，,须在窄缝两侧加上跟带电粒子在,D,形盒中运动周期相同的交变电压,22,3带电粒子的最终能量,当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由,r=mv/qB,得,v= rqB/m,，,若,D,形盒的半径为,R,，则带电粒子的最终动能：,所以，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度,B,和,D,形盒的半径,R,23,例：为什么带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关？,解析：,加速电压越高，带电粒子每次加速的动能增量越大，回旋半径也增加越多，导致带电粒子在,D,形盒中的回旋次数越少；反之，加速电压越低，粒子在,D,形盒中回旋的次数越多，可见加速电压的高低只影响带电粒子加速的总次数，并不影响引出时的速度和相应的动能，由,可知，增强,B,和增大,R,可提高加速粒子的最终能量，与加速电压高低无关,24,小结：,回旋加速器利用两,D,形盒窄缝间的电场使带电粒子加速，利用,D,形盒内的磁场使带电粒子偏转，带电粒子所能获得的最终能量与,B,和,R,有关，与,U,无关,25,本课小结：,一、带电粒子在磁场中的运动,平行磁感线进入：,做匀速直线运动,垂直磁感线进入：,做匀速圆周运动,半径：,R,mv,qB,周期：,T,2m,qB,二、质谱仪：,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,三、回旋加速器：,使带电粒子获得高能量的装置,由D形盒、高频交变电场等组成,26,作业：,1、查阅资料，了解加速器的发展和应用情况；,2、完成课本P102的练习1-4题；,27,