帶電粒子在勻強磁場中的運動(公開課)PPT

1、帶電粒子在勻強磁場中的運動帶電粒子在勻強磁場中的運動知識回顧、帶電粒子在勻強電場中的運動知識回顧、帶電粒子在勻強電場中的運動勻加速直線運動勻加速直線運動qvqvF類平拋運動類平拋運動受力分析運動一、帶電粒子在勻強磁場中的運動一、帶電粒子在勻強磁場中的運動qvqv勻速直線運動勻速直線運動猜想：猜想：二、二、帶電粒子運動軌跡的半徑帶電粒子運動軌跡的半徑勻強勻強磁場中帶電粒子運動軌跡的半徑與哪些因磁場中帶電粒子運動軌跡的半徑與哪些因素有關？素有關？思路思路: 帶電粒子做勻速圓周運動，洛倫茲力提帶電粒子做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力。供向心力。可見可見r與速度與速度V、磁感應強度、磁感應強度B、粒

2、子的比荷有關、粒子的比荷有關rvmqv2BqBmvr 三、三、帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動時周期帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動時周期帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動時周期有何特征？時周期有何特征？BTmvrTqm2qBvr2可知結合根據可見同一個粒子在勻強磁場中做勻速圓周可見同一個粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的周期與速度無關運動的周期與速度無關-e2v.BT=2m/eBT=2m/eB例例 2、勻強磁場中，有兩個電子分別以速率、勻強磁場中，有兩個電子分別以速率v和和2v沿垂沿垂直于磁場方向運動，哪個電子先回到原來的出發(fā)點？直于磁場方向運動，哪個電子

3、先回到原來的出發(fā)點？veBmvr兩個電子同時回到原來的出發(fā)點兩個電子同時回到原來的出發(fā)點運動周期和電子的速率無關運動周期和電子的速率無關軌道半徑與粒子射入的速度成正比軌道半徑與粒子射入的速度成正比v-e兩個電子軌道半徑如何？兩個電子軌道半徑如何？勵磁線圈勵磁線圈電電 子子 槍槍磁場強弱選擇擋磁場強弱選擇擋加速電壓加速電壓選擇擋選擇擋（二）實驗論證：洛倫茲力演示器（二）實驗論證：洛倫茲力演示器演示實驗：演示實驗： 1 1、不加磁場時，觀察電子束的軌跡；、不加磁場時，觀察電子束的軌跡； 2 2、給線圈通電，觀察電子束的軌跡；、給線圈通電，觀察電子束的軌跡；勻速直線運動勻速直線運動勻速圓周運動勻速圓

4、周運動 3 3、保持初射速度、保持初射速度V V不變，改變磁感應強度不變，改變磁感應強度B B的大小，觀察的大小，觀察電子束的軌跡變化；電子束的軌跡變化； 4 4、保持磁感應強度、保持磁感應強度B B不變，改變初射速度不變，改變初射速度V V的大小，觀察的大小，觀察電子束的軌跡變化。電子束的軌跡變化。B B越大、越大、R R越小越小V V越大、越大、R R越大越大帶電粒子在磁場中的運動：帶電粒子在磁場中的運動：勻速直線運動勻速直線運動思考：思考：勻速圓周運動勻速圓周運動粒子運動方向與磁場有一夾角（大于粒子運動方向與磁場有一夾角（大于0度小于度小于90度）度）軌跡為螺線軌跡為螺線例例1 1：一個

5、帶電粒子，沿垂直于磁場的方向：一個帶電粒子，沿垂直于磁場的方向射入一勻強磁場粒子的一段徑跡如下圖所射入一勻強磁場粒子的一段徑跡如下圖所示徑跡上的每一小段都可近似看成圓示徑跡上的每一小段都可近似看成圓弧由于帶電粒子使沿途的空氣電離，粒子弧由于帶電粒子使沿途的空氣電離，粒子的能量逐漸減小的能量逐漸減小( (帶電量不變帶電量不變) )從圖中情況從圖中情況可以確定可以確定A A粒子從粒子從a a到到b b，帶正電，帶正電B B粒子從粒子從a a到到b b，帶負電，帶負電C C粒子從粒子從b b到到a a，帶正電，帶正電D D粒子從粒子從b b到到a a，帶負電，帶負電 C C通過氣泡室顯示的帶電粒子在

6、勻強磁場中的運動徑跡通過氣泡室顯示的帶電粒子在勻強磁場中的運動徑跡導學案：問題導學案：問題4質譜儀質譜儀 如圖所示，一質量為m，電荷量為q的粒子從容器A下方小孔S1飄入電勢差為U的加速電場，然后讓粒子垂直進入磁感應強度為B的磁場中，最后打到底片D上. (1)粒子在S1區(qū)做什么運動? (2)在S2區(qū)做何種運動，在S3區(qū)將做何種運動? (3)粒子進入磁場時的速率？ (4)粒子在磁場中運動的軌道半徑？mq2vqUmv21S S221U 可得：可得：間，電場力做功獲得能間，電場力做功獲得能在在qmU2B1rvqmvrrvmqv,v2 可得：可得：代入代入洛侖茲力提供向心力洛侖茲力提供向心力垂直進入磁場

7、垂直進入磁場以速度以速度BB 可見半徑不同可見半徑不同意味著比荷不同，意味著比荷不同，意味著它們是不同意味著它們是不同的粒子的粒子這就是質譜儀的工作原理這就是質譜儀的工作原理 阿斯頓阿斯頓（湯姆生的學生）（湯姆生的學生）一、質譜儀一、質譜儀原理分析原理分析1 1、質譜儀、質譜儀: :是測量帶電粒子質量和分析同位素的重要工具是測量帶電粒子質量和分析同位素的重要工具2、工作原理、工作原理將質量不等、電荷數相等的帶電粒子經同一將質量不等、電荷數相等的帶電粒子經同一電場加速電場加速再垂直進入同一再垂直進入同一勻強磁場勻強磁場，由于粒子質量不同，由于粒子質量不同，引起軌跡半徑不同而分開，進而分析某元素中

8、所含同位素引起軌跡半徑不同而分開，進而分析某元素中所含同位素的種類的種類質譜儀的兩種裝置質譜儀的兩種裝置帶電粒子質量帶電粒子質量m,電荷量電荷量q,由電壓由電壓U加速后垂直進加速后垂直進入磁感應強度為入磁感應強度為B的勻強磁場的勻強磁場,設軌道半徑設軌道半徑為為r,則有：則有：NUOMB221mvqU rmvqvB2 可得可得222rBUmq 帶電粒子質量帶電粒子質量m,電荷量電荷量q,以速度以速度v穿過速度選擇穿過速度選擇器器(電場強度電場強度E，磁感應強度磁感應強度B1),垂直進入磁感應強垂直進入磁感應強度為度為B2的勻強磁場的勻強磁場.設軌道半徑為設軌道半徑為r,則有：則有：MB2EB1

9、NqE=qvB1rmvqvB22 可得：可得：rBBEmq11 均可測定荷質比均可測定荷質比帶電粒子在磁場中的運動帶電粒子在磁場中的運動回旋加速器回旋加速器世界上最大、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歐洲大型強子對撞機歐洲大型強子對撞機 世界最大對撞機啟動模擬宇宙大爆炸世界最大對撞機啟動模擬宇宙大爆炸 中國參與研究中國參與研究 這項實驗在深入地底這項實驗在深入地底100米、長達米、長達27公里的環(huán)型隧道內進行。公里的環(huán)型隧道內進行。 在瑞士和法國邊在瑞士和法國邊界地區(qū)的地底實驗室內，界地區(qū)的地底實驗室內，科學家們正式展開了被科學家們正式展開了被外界形容為外界形容為“末日實驗

10、末日實驗”的備受爭議的計劃。他的備受爭議的計劃。他們啟動了全球最大型的們啟動了全球最大型的強子對撞機強子對撞機(LHC)，把把粒子運行速度加快至接粒子運行速度加快至接近光速近光速，并將互相撞擊，并將互相撞擊，模擬宇宙初開模擬宇宙初開“大爆炸大爆炸”后的情況?？茖W家希望后的情況?？茖W家希望借這次實驗，有助解開借這次實驗，有助解開宇宙間部分謎團。但有宇宙間部分謎團。但有人擔心，這次實驗或會人擔心，這次實驗或會制造小型黑洞吞噬地球，制造小型黑洞吞噬地球，令末日論流言四起。令末日論流言四起。一、直線加速器一、直線加速器1.單極加速器單極加速器帶電粒子初速度為帶電粒子初速度為0，將，將其加速到具有其加速

11、到具有30MeV能能量，需要多大的電壓？量，需要多大的電壓？+U+-q221qmvu 高壓高壓2.多級直線加速器多級直線加速器優(yōu)點：各級電壓獨立，低壓分級加速優(yōu)點：各級電壓獨立，低壓分級加速缺點：級數太多，占用空間太大缺點：級數太多，占用空間太大如何解決？如何解決？斯坦福直線加速器中心鳥瞰圖斯坦福直線加速器中心鳥瞰圖1962年斯坦福直線加速器中心成立后，開年斯坦福直線加速器中心成立后，開始建造始建造2英里長的直線加速器和實驗區(qū)英里長的直線加速器和實驗區(qū) 利用磁場讓粒子做圓周運動！利用磁場讓粒子做圓周運動！二、回旋加速器二、回旋加速器以正粒子為例以正粒子為例+-V1V1V2V2V3+-+-+-1

12、.結構結構2.工作原理工作原理以正粒子為例以正粒子為例+-V1V1V2V2V3+-+-+-例題例題 回旋加速器回旋加速器D形盒的半徑為形盒的半徑為r，勻強磁場的磁感應，勻強磁場的磁感應強度為強度為B，一個質量為，一個質量為m，電荷量為，電荷量為q的粒子在加速電壓的粒子在加速電壓為為U的加速器的中央從速度為零開始加速，根據回旋加的加速器的中央從速度為零開始加速，根據回旋加速器的這些數據計算：速器的這些數據計算：（1）交流電源的周期是？所加交變電壓的頻率。）交流電源的周期是？所加交變電壓的頻率。（2）該粒子獲得的最大速度，及最大動能。）該粒子獲得的最大速度，及最大動能。（3）運動的總時間）運動的總

13、時間(不計粒子在間隙中間的運動時間不計粒子在間隙中間的運動時間)。D形盒的半徑越大，粒形盒的半徑越大，粒子所能獲得的速度越大子所能獲得的速度越大警示：警示：對回旋加速器要切記以下三點：對回旋加速器要切記以下三點： 加速電場的周期必須等于回旋周期加速電場的周期必須等于回旋周期 粒子做勻速圓周運動的最大半徑等于粒子做勻速圓周運動的最大半徑等于D D形盒半徑形盒半徑 在粒子質量、電量確定的情況下，粒在粒子質量、電量確定的情況下，粒子所能達到的最大動能只與加速的半徑子所能達到的最大動能只與加速的半徑R R和磁和磁感應強度感應強度B B有關，與加速電壓有關，與加速電壓U U無關無關 想一想：有些同學認為

14、想一想：有些同學認為“加速電壓加速電壓U U越大，每次加速時粒子獲得的越大，每次加速時粒子獲得的動能越大，最后粒子飛出動能越大，最后粒子飛出D D形盒時的動能也越大這種觀點對嗎形盒時的動能也越大這種觀點對嗎? ?說說說你的觀點說你的觀點北京正負電子對撞機：撞出物質奧秘北京正負電子對撞機：撞出物質奧秘 大科學裝置的存在和應用水大科學裝置的存在和應用水平，是一個國家科學技術發(fā)展的平，是一個國家科學技術發(fā)展的具象。它如同一塊巨大的磁鐵，具象。它如同一塊巨大的磁鐵，能夠集聚智慧，構成一個多學科能夠集聚智慧，構成一個多學科陣地。作為典型的大科學裝置，陣地。作為典型的大科學裝置，北京正負電子對撞機的重大改

15、造北京正負電子對撞機的重大改造工程就是要再添磁力。工程就是要再添磁力。 北京正負電子對撞機在我國大科學裝置工程中赫赫有名，北京正負電子對撞機在我國大科學裝置工程中赫赫有名，為示范之作。為示范之作。1988年年10月月16日凌晨實現(xiàn)第一次對撞時，曾被日凌晨實現(xiàn)第一次對撞時，曾被形容為形容為“我國繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后，我國繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后，在高科技領域又一重大突破性成就在高科技領域又一重大突破性成就”。北京正負對撞機重大改。北京正負對撞機重大改造工程的實施，將讓這一大科學裝置造工程的實施，將讓這一大科學裝置“升級換代升級換代”，繼續(xù)立在，繼續(xù)立在國際高能

16、物理的前端。國際高能物理的前端。 北京正負電子對撞機重大改造工程完工后，北京正負電子對撞機重大改造工程完工后，將成為世界上將成為世界上最先進的雙環(huán)對撞機之一最先進的雙環(huán)對撞機之一。 課堂小結：課堂小結：一、帶電粒子在勻強磁場中的運動規(guī)律一、帶電粒子在勻強磁場中的運動規(guī)律質譜儀質譜儀1 1、v vB B 時，勻速直線運動時，勻速直線運動2 2、v vB B 時，勻速圓周運動時，勻速圓周運動洛倫茲力提供向心力洛倫茲力提供向心力rmvqvB2qBmvrqBmvrT22四、帶電粒子在勻強磁場中的運動規(guī)律的應用四、帶電粒子在勻強磁場中的運動規(guī)律的應用半徑：半徑：周期：周期：（與（與R，V無關）無關）二、二、三、三、課堂練習課堂練習：帶電粒子垂直勻強磁場方向運動時，會：帶電粒子垂直勻強磁場方向運動時，會受到洛倫茲力的作用，做勻速圓周運動下列表述受到洛倫茲力的作用，做勻速圓周運動下列表述正確的是正確的是 ( () )A A洛倫茲力對帶電粒子做功洛倫茲力對帶電粒子做功B B洛倫茲力不改變帶電粒子的動能洛倫茲力不改變帶電粒子的動能C C磁感應強度磁感應強度B B越大，圓周運動的半徑越大越大，圓周運動的半徑越大D D圓周運動的速度越大，周期越小圓周運動的速度越大，周期越小B B 課堂練習課堂練習：一個帶電粒子，沿垂直于磁場的方向射入一勻：一個帶電粒子，沿垂直于磁場的方向射入