第三章第6節(jié)《帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)》導(dǎo)學(xué)案

1、課時(shí) 3. 5 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)1. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究帶電粒子沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。2. 通過(guò)理論分析帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中會(huì)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的條件,并能用學(xué)過(guò)的知識(shí)推導(dǎo)出勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑公式和周期公式。3. 能夠用學(xué)過(guò)的知識(shí)分析、計(jì)算有關(guān)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中受力、運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。4. 了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的工作原理。1. 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(1)洛倫茲力的特點(diǎn):洛倫茲力總是與速度方向,因此洛倫茲力不改變帶電粒子速度的,不對(duì)帶電粒子,也就不改變其 。(2)沿著與磁場(chǎng)的方向射入磁場(chǎng)的帶電粒子,在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),由力提供向心力。2. 質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀是通過(guò)測(cè)量帶電粒

2、子在勻強(qiáng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)軌道的來(lái)計(jì)算粒子的或的儀器。3. 回旋加速器(1)原理 : 回旋加速器利用控制軌道 ,利用進(jìn)行加速。(2)優(yōu)點(diǎn) : 可以大大加速器裝置所占的空間。(3)缺點(diǎn) : 帶電粒子的能量達(dá)到MeV后,就很難再加速。主題 1:實(shí)驗(yàn) 觀察帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律用洛倫茲力演示儀觀察運(yùn)動(dòng)電子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),回答下列問(wèn)題。(1)由實(shí)驗(yàn)可以看出電子束徑跡的半徑r 與磁感應(yīng)強(qiáng)度B 和電子速度v 有什么關(guān)系?(2)教材圖 3. 6- 3(帶電粒子在氣泡室運(yùn)動(dòng)徑跡的照片。有的粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量降低,速度減小,徑跡就呈螺旋形 )中的帶電粒子的徑跡為什么有很多不是圓周而是螺旋形?主題 2

3、:理論探究帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律閱讀教材中 “ 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)” 標(biāo)題下的內(nèi)容 ,回答下列問(wèn)題。(1)沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入的帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做什么運(yùn)動(dòng)?其所受洛倫茲力起什么作用 ?(2)質(zhì)量為 、電荷量為q的粒子以速度v垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí) ,粒子運(yùn)動(dòng)徑跡的半m徑 r 和周期 T 是多少 ?主題 3:質(zhì)譜儀的原理閱讀教材中本節(jié)例題以及相關(guān)內(nèi)容,回答下列問(wèn)題。(1)如果從離子源產(chǎn)生的離子經(jīng)電場(chǎng)加速后,不是直接進(jìn)入磁場(chǎng)而是由小孔進(jìn)入一個(gè)速度選擇器,再進(jìn)入磁場(chǎng) ,如圖所示 ,你知道速度選擇器的工作原理嗎?(2)如果帶電粒子的電荷量相同而質(zhì)量不同,則它們經(jīng)速

4、度選擇器進(jìn)入磁場(chǎng)后做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑相同嗎?為什么 ?主題 4:回旋加速器閱讀教材中 “ 回旋加速器 ” 標(biāo)題下面的內(nèi)容,回答下列問(wèn)題。(1)回旋加速器兩端所加的交流電壓的周期由什么決定?(2)有同學(xué)說(shuō) : “回旋加速器兩 D形電極間所加交變電壓越大 ,帶電粒子最后獲得的能量越高 ?”你認(rèn)為該同學(xué)的說(shuō)法正確嗎 ?為什么 ?1. 一個(gè)帶電粒子沿垂直于磁場(chǎng)的方向射入一勻強(qiáng)磁場(chǎng) ,粒子的一段徑跡如圖所示 ,徑跡上的每小段都可以近似看成圓弧 ,由于帶電粒子使沿途空氣電離 ,粒子的能量逐漸減小 (帶電荷量不變 ),從圖中情況可以確定 () 。A. 粒子從B. 粒子從C. 粒子從D. 粒子從a 到 b,帶正

5、電b 到 a,帶正電a 到 b,帶負(fù)電b 到 a,帶負(fù)電2. 處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi)部的兩個(gè)相同的電子 A 和 B 分別以速率 v 和 2v 垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng) ,經(jīng)偏轉(zhuǎn)后 ,先回到原來(lái)出發(fā)點(diǎn)的是 ()。A.A 先到達(dá) B. 同時(shí)到達(dá) C.B 先到達(dá) D. 無(wú)法判斷3 . 如圖所示 ,在兩個(gè)不同的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 ,磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系為 B1=2B2 ,當(dāng)不計(jì)重力的帶電粒子從 B1 磁場(chǎng)區(qū)域運(yùn)動(dòng)到 B2 磁場(chǎng)區(qū)域時(shí) ,粒子的 ()。A. 速率將加倍B. 軌跡半徑將加倍C. 周期將加倍D. 角速度將加倍4. 1930 年,勞倫斯制成了世界上第一臺(tái)回旋加速器構(gòu)成 ,其間留有空隙。下列說(shuō)法正確的是() 。A. 離子由加

6、速器的中心附近進(jìn)入加速器B. 離子由加速器的邊緣進(jìn)入加速器C.離子從磁場(chǎng)中獲得能量D. 離子從電場(chǎng)中獲得能量,其原理如圖所示。這臺(tái)加速器由兩個(gè)銅質(zhì)D 形盒D1、 D2拓展一、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的分析方法1. 電子質(zhì)量為 m、電荷量為 q,以與 x 軸成 角的速度 v0 射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 ,最后落在 x 軸上的 P 點(diǎn),如圖所示。求 :(1)OP的長(zhǎng)度。(2)電子由 O點(diǎn)射入到落在P點(diǎn)所需的時(shí)間t 。拓展二、質(zhì)譜儀的工作原理分析2. 圖示為質(zhì)譜儀的原理示意圖 ,A 為粒子加速器 ,電壓為 U1 ;B 為速度選擇器 ,磁場(chǎng)與電場(chǎng)正交 ,磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B1 ,板間距

7、離為 d;C為偏轉(zhuǎn)分離器 ,磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B2 。今有一質(zhì)量為 m、電荷量為 q 的正離子經(jīng)加速后 ,恰好通過(guò)速度選擇器 ,進(jìn)入分離器后做半徑為 R的勻速圓周運(yùn)動(dòng) ,求:(1)粒子的速度v。(2)速度選擇器的電壓U2。(3)粒子在 B2 磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R。拓展三、回旋加速器的問(wèn)題分析3. 有一回旋加速器,它的交流電壓的頻率為1. 2107 Hz ,半圓形 D 盒電極半徑為0. 532 m,已知氘核的質(zhì)量 m=3. 3410- 27 kg ,電荷量 q=1. 610- 19 C ,問(wèn) :(1)加速氘核時(shí)所需要的磁感應(yīng)強(qiáng)度為多大?(2)氘核能達(dá)到的最大速度是多大 ?最大動(dòng)能是多少 ?(

8、計(jì)算結(jié)果保留 3 位有效數(shù)字 )帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)答案課時(shí)3. 5 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)知識(shí)體系梳理垂直大小做功能量垂直勻強(qiáng)洛倫茲磁場(chǎng)半徑比荷質(zhì)量磁場(chǎng)電場(chǎng)縮小2530重點(diǎn)難點(diǎn)探究主題 1:(1)由實(shí)驗(yàn)可以看出, 當(dāng)電子速度v 一定時(shí) ,電子束徑跡的半徑r 隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B的增大而減小 ;當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 一定時(shí) ,電子束徑跡的半徑r 隨電子速度v 的增大而增大。(2)這是由于帶電粒子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中要克服阻力,使其能量降低 ,速度減小 ,因此徑跡的半徑減小。主題 2:(1)沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入的帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),其所受洛倫茲力起向心力的作用。(2)由于洛倫茲力提

9、供向心力,所以 qvB=m ,得粒子運(yùn)動(dòng)徑跡的半徑r=;又由 T=得粒子運(yùn)動(dòng)周期T=。主題 3:(1)工作原理 :如圖所示 ,帶電粒子所受重力可忽略不計(jì),粒子在兩板間同時(shí)受到靜電力和洛倫茲力作用,只有當(dāng)二力平衡時(shí),粒子才不發(fā)生偏轉(zhuǎn),沿直線穿過(guò)兩板間。由 qE=qvB得 v=,只有滿足 v=的粒子才能從速度選擇器中被選擇出來(lái)。(2)不相同。帶電粒子經(jīng)速度選擇器后以相同的速度進(jìn)入磁場(chǎng),由半徑公式r=可知 ,q、 v、 B 相同而 m不同的粒子 ,半徑一定不同。主題 4:(1)為了保證每次帶電粒子經(jīng)過(guò)狹縫時(shí)均被加速,使之能量不斷提高,交流電壓的周期必須等于帶電粒子在回旋加速器中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期。

10、因此,交流電壓的周期由帶電粒子的質(zhì)量m、帶電荷量q 和加速器中磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 來(lái)決定。不正確。由2k=。(2)qvB=和 EEr=R,k( 為 D 形盒的半徑 ),即粒子在回旋加速器中獲得的最大動(dòng)能與、 、 、當(dāng), E=Rq m B R時(shí) 有最大動(dòng)能有關(guān) ,與加速電壓無(wú)關(guān)。事實(shí)上, 只要 q、m、B、 R一定 ,加速電壓越大 ,只是單次加速獲得的動(dòng)能越大,但從全過(guò)程來(lái)看 ,粒子被加速的次數(shù)減少了, 粒子獲得的最高能量不變?；A(chǔ)智能檢測(cè)1. B2. B3. BC4. AD全新視角拓展1. (1)sin (2)【解析】 (1)過(guò) O點(diǎn)和 P點(diǎn)作速度方向的垂線,兩線交點(diǎn) C即為電子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心,如圖所示。2 sinOP=RBqv0=m聯(lián)立解得 :OP=sin。(2)由圖可知 :2 =tv0 =R聯(lián)立解得 :t=。2 (1)(2)1(3).Bd【解析】粒子經(jīng)加速電場(chǎng)1 加速 ,獲得速度v,由動(dòng)能定理得 :(1)U2qU1= mv解得 :v=。(2)粒子在速度選擇器中做勻速直線運(yùn)動(dòng),靜電力與洛倫茲力平衡得:Eq=qvB1即=qvB1解得 :U2=B1d。(3)粒子在 B2 中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),洛倫茲力提供向心力,則有 :qB2v=m解得 :R=。3 (1)1.57 T (2)400107 m/s2.6710-1