帶電粒子在勻強磁場中的運動開課

1、帶電粒子在勻強磁場中的運動開課課件第1頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三提出問題 沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在勻強磁場中做什么運動？V-第2頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三猜想與假設(shè)V-F洛V-F洛V-F洛V-F洛可能是圓周運動！第3頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三歐洲大型強子對撞機第4頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三實驗探究電子槍玻璃泡勵磁線圈第5頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三實驗探究觀察現(xiàn)象：1、不加磁場時觀察電子束的徑跡。 2、給勵磁線圈通電，在玻璃泡中產(chǎn)生 沿兩線

2、圈中心連線方向的磁場，觀察電子束的徑跡。第6頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三無磁場實驗探究有磁場實驗結(jié)論：1、可以看到，在沒有磁場作用時，電子的軌跡是直線。2、在管外加上垂直初速度方向的勻強磁場，電子的軌跡變彎曲成圓形。第7頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三一、帶電粒子在勻強磁場中的運動 1、垂直射入勻強磁場的帶電粒子，它的初速度和所受洛倫茲力的方向都在跟磁場方向垂直的平面內(nèi)，沒有任何作用使粒子離開這個平面，所以粒子只能在這個平面內(nèi)運動。 2、由于洛侖茲力永遠垂直于粒子的速度，對粒子不做功。它只改變粒子的運動方向，不改變其速度大小，因此粒子運動時速率不

3、變。 3、由于粒子速度大小不變，所以粒子在勻強磁場中所受洛侖茲力的大小也不改變，加之洛侖茲力總是與速度方向垂直，正好起到了向心力的作用。所以沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在勻強磁場中做勻速圓周運動。理論論證第8頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三實驗探究觀察現(xiàn)象：3、保持出射電子的速度不變，改變磁感應(yīng)強度，觀察電子束徑跡的變化。 4、保持磁感應(yīng)強度不變，改變出射電子的速度，觀察電子束徑跡的變化 。第9頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三實驗探究實驗結(jié)論：3、保持出射電子的速度不變，磁感應(yīng)強度越大，電子束徑跡的半徑越小。 4、保持磁感應(yīng)強度不變，出射

4、電子的速度越大，電子束徑跡的半徑越大 。第10頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三一、帶電粒子在勻強磁場中的運動1、軌道半徑帶電粒子只受洛倫茲力，作圓周運動，洛倫茲力提供向心力：解得：理論推導(dǎo)（沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在勻強磁場中做勻速圓周運動。）第11頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三一、帶電粒子在勻強磁場中的運動 沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在勻強磁場中做勻速圓周運動。1、軌道半徑2、運行周期（周期跟軌道半徑和運動速率均無關(guān)）第12頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三 例1、一個帶電粒子沿垂直于磁場的方向射

5、入一個勻強磁場，粒子后段軌跡如圖所示，軌跡上的每一小段都可近似看成是圓弧.由于帶電粒子使沿途的空氣電離，粒子的能量逐漸減少(帶電量不變).從圖中情況可以確定 A.粒子從a到b，帶正電 B.粒子從b到a，帶正電 C.粒子從a到b，帶負電 D.粒子從b到a，帶負電第13頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三帶電粒子在氣泡室運動徑跡的照片（1）不同帶電粒子的徑跡半徑為何不同？（2）同一徑跡上為什么曲率半徑越來越小？第14頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三同一磁場中不同帶電粒子的跡徑不同能否根據(jù)帶電粒子的運動軌跡分辨比荷不同的粒子？質(zhì)譜儀:是一種分析同位素、測定帶電

6、粒子比荷及測定帶電粒子質(zhì)量的重要工具。二、質(zhì)譜儀第15頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三例2： 一個質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子，從容器下方的小孔S1飄入電勢差為U的加速電場，其初速度幾乎為零，然后經(jīng)過S3沿著與磁場垂直的方向進入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，最后打到照相底片D上。（1）求粒子進入磁場時的速率。（2）求粒子在磁場中運動的軌道半徑。第16頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三 可見半徑不同意味著比荷不同，意味著它們是不同的粒子（測粒子比荷或計算粒子的質(zhì)量）第17頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三三、回旋加速器 要認識原子核內(nèi)部的

7、情況，必須把核“打開”進行“觀察”。然而，原子核被強大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為“炮彈”去轟擊，才能把它“打開”。產(chǎn)生高能“炮彈”的“工廠”就是各種各樣的粒子加速器。第18頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三三、回旋加速器1.加速原理：利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電粒子的動能增加，qU=Ek2.直線加速器，多級加速 如圖所示是多級加速裝置的原理圖：（一）直線加速器3.困難：技術(shù)上不能產(chǎn)生過高電壓；加速設(shè)備長。第19頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三第20頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三三、回旋加速器（一）直線加速器（二）

8、回旋加速器 解決上述困難的一個途徑是把加速電場“卷起來”，用磁場控制軌跡，用電場進行加速。 回旋加速器的核心部分是形金屬盒，兩形盒之間留有窄縫，中心附近放置離子源(如質(zhì)子、氘核或 粒子源等)。在兩形盒間接上交流電源于是在縫隙里形成一個交變電場。形盒裝在一個大的真空容器里，整個裝置放在巨大的電磁鐵兩極之間的強大磁場中，這磁場的方向垂直于形盒的底面。第21頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三三、回旋加速器原理：電場使粒子加速，磁場使粒子回旋。回旋周期： ，與半徑、速度的大小無關(guān)。離盒時粒子的最大動能：與加速電壓無關(guān)，由半徑?jīng)Q定。第22頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分

9、，星期三三、回旋加速器回旋加速器的局限性（1）D形盒半徑不能無限增大（2）受相對論效應(yīng)制約，質(zhì)量隨速度而增大，周期T變化。第23頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三 此加速器可將質(zhì)子和氘核加速到1MeV的能量，為此1939年勞倫斯獲得諾貝爾物理學(xué)獎.1932年勞倫斯研制第一臺回旋加速器的D型室.三、回旋加速器第24頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三第25頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三第26頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三四、霍爾效應(yīng) 1879年霍耳發(fā)現(xiàn)，把一載流導(dǎo)體放在磁場中，如果磁場方向與電流方向垂直，則在與

10、磁場和電流二者垂直的方向上出現(xiàn)橫向電勢差，這一現(xiàn)象稱之為霍耳現(xiàn)象。第27頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三四、霍爾效應(yīng) 如圖，導(dǎo)電板高度為b厚度為 d放在垂直于它的磁場B中。當(dāng)有電流I通過它時，由于磁場使導(dǎo)體內(nèi)移動的電荷發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在 A、A 兩側(cè)分別聚集了正、負電荷，在導(dǎo)電板的A、A 兩側(cè)會產(chǎn)生一個電勢差U。設(shè)導(dǎo)電板內(nèi)運動電荷的平均定向速率為u，它們在磁場中受到的洛侖茲力為：當(dāng)導(dǎo)電板的A、A 兩側(cè)產(chǎn)生電勢差后，運動電荷會受到電場力：導(dǎo)電板內(nèi)電流的微觀表達式為：由以上各式解得：其中 叫霍爾系數(shù)第28頁，共29頁，2022年，5月20日，5點4分，星期三 例3、我國第21次南極科考隊在南極觀看到了美麗的極光。極光是由來自太陽的高能量帶電粒子流高速沖進高空稀薄大氣層時，被地球磁場俘獲，從而改變原有運動方向，向兩極做螺旋運動，如圖5所示。這些高能粒子在運動過程中與大氣分子或原子劇烈碰撞或摩擦從而激發(fā)大氣分子或原子，使其發(fā)出有一定特征的各種顏色的光。地磁場的存在，使多數(shù)宇宙粒子不能到達地面而向人煙稀少的兩極偏移