第6節(jié)《帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(1)》課時(shí)1課件_第1頁(yè)
第6節(jié)《帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(1)》課時(shí)1課件_第2頁(yè)
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第三章磁場(chǎng)第六節(jié)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(第一課時(shí))1.帶電的基本粒子:如電子,質(zhì)子,α粒子,正負(fù)離子等。這些粒子所受重力和洛侖磁力相比小得多,除非有說明或明確的暗示以外,一般都不考慮重力。(但并不能忽略質(zhì)量)2.帶電微粒:如帶電小球、液滴、塵埃等。除非有說明或明確的暗示以外,一般都考慮重力。一、帶電粒子的分類3.某些帶電體是否考慮重力,要根據(jù)題目暗示或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來判定。(1)v⊥B

時(shí),洛倫茲力的方向與速度方向有何關(guān)系?1.帶電粒子平行射入勻強(qiáng)磁場(chǎng),運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何?(重力不計(jì))2.帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng),運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何?(重力不計(jì))做勻速直線運(yùn)動(dòng)-vF洛v-F洛v-F洛v-F洛(2)帶電粒子僅在洛倫茲力的作用下,粒子的速率變化么?能量呢?(4)從上面的分析,你認(rèn)為垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向射入的帶電粒子,在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何?洛倫茲力對(duì)電荷只起向心力的作用,故只在洛倫茲力的作用下,電荷將做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),它所受的洛倫茲力總與速度方向垂直,不改變帶電粒子的速度大小,只改變速度方向。二、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)情況1.工作原理:由電子槍發(fā)出的電子射線可以使管的低壓水銀蒸汽發(fā)出輝光,顯示出電子的徑跡。兩個(gè)平行的通電環(huán)形線圈可產(chǎn)生沿軸線方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。洛倫茲力演示儀亥姆霍茲線圈電子槍觀看視頻演示3.實(shí)驗(yàn)結(jié)論:帶電粒子垂直進(jìn)入磁場(chǎng)中,粒子在垂直磁場(chǎng)方向的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),此洛倫茲力不做功。2.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:在暗室中可以清楚地看到,在沒有磁場(chǎng)作用時(shí),電子的徑跡是直線;在管外加上勻強(qiáng)磁場(chǎng),電子的徑跡變彎曲成圓形。運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用,運(yùn)動(dòng)方向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn),這一點(diǎn)對(duì)于地球上的生命來說有十分重要的意義。從太陽或其他星體上,時(shí)刻都有大量的高能粒子流放出,稱為宇宙射線,這些高能粒子流,如果都到達(dá)地球,將對(duì)地球上的生物帶來危害。慶幸的是,地球周圍存在地磁場(chǎng),地磁場(chǎng)改變宇宙射線中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向,對(duì)宇宙射線起了一定的阻擋作用,形成了美麗的極光。例1.如圖,有一質(zhì)量為

m,電荷量為q

的帶電粒子(不計(jì)重力),以速度v

垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B

的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,試求該粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓半徑r

和運(yùn)動(dòng)周期T

。三、帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物理量FqBv粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力是由粒子所受的洛倫茲力提供的,所以:推導(dǎo):1.軌道半徑和粒子的運(yùn)動(dòng)速率成正比。2.帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期和運(yùn)動(dòng)速率無關(guān)。說明:例1.已知?dú)浜伺c氦核的質(zhì)量之比m1∶m2=1∶4,電荷量之比q1∶q2=1∶2,當(dāng)氫核與氦核以v1∶v2=4∶1的速度,垂直磁場(chǎng)方向射入磁場(chǎng)后,分別做勻速圓周運(yùn)動(dòng),則氫核與氦核的半徑之比r1∶r2=________,周期之比T1∶T2=________。1∶22∶12.如圖所示,虛線圓所圍區(qū)域內(nèi)有方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。一束電子沿圓形區(qū)域的直徑方向以速度v射入磁場(chǎng),電子束經(jīng)過磁場(chǎng)區(qū)后,其運(yùn)動(dòng)方向與原入射方向成θ角。設(shè)電子質(zhì)量為m,電荷量為e,不計(jì)電子之間相互作用力及所受的重力。求:(1)電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑R;(2)電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t;(3)圓形磁場(chǎng)區(qū)域的半徑r。

四、帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用一、質(zhì)譜儀世界上第一臺(tái)質(zhì)譜分析器—磁式質(zhì)譜儀現(xiàn)代質(zhì)譜儀1.用途:質(zhì)譜儀是測(cè)量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具。2.基本原理將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒子經(jīng)同一電場(chǎng)加速再垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng),由于粒子動(dòng)量不同,引起軌跡半徑不同而分開,進(jìn)而分析某元素中所含同位素的種類例2.如圖所示,一個(gè)質(zhì)量m,電荷量q的帶電粒子,從容器A

下方小孔S1飄入電勢(shì)差為U

的加速電場(chǎng),其初速度近似為0,然后經(jīng)過S3間沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B

的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,最后打到照相底片D

上。求:(1)粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率v;(1)粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑r。解:(1)在S1、S2間,電場(chǎng)對(duì)粒子做功,由動(dòng)能定理得:(2)粒子垂直進(jìn)入磁場(chǎng),洛倫茲力提供向心力1.加速原理:利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正功使帶電粒子的動(dòng)能增加,qU=Ek.2.直線加速器,多級(jí)加速。

如圖所示是多級(jí)加速裝置的原理圖:二、加速器(一)直線加速器+––––+++U1U2P6U3UnP2P4P3P1P5一級(jí)n級(jí)二級(jí)三級(jí)粒子在每個(gè)加速電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等,因?yàn)榻蛔冸妷旱淖兓芷谙嗤?/p>

3.直線加速器占有的空間范圍大,在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。由動(dòng)能定理得帶電粒子經(jīng)n

極的電場(chǎng)加速后增加的動(dòng)能為:(二)回旋加速器1932年,加利福尼亞大學(xué)的勞倫斯(1939年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng))提出了一個(gè)卓越的思想,通過磁場(chǎng)的作用迫使帶電粒子沿著磁極之間做螺旋線運(yùn)動(dòng),把長(zhǎng)長(zhǎng)的電極像卷尺那樣卷起來,發(fā)明了回旋加速器,第一臺(tái)直徑為27cm的回旋回速器投入運(yùn)行,它能將質(zhì)子加速到1Mev。歐內(nèi)斯特·奧蘭多·勞倫斯(ErnestOrlandoLawrence,1901~1958)1Mev

=106eV回旋加速器的原理兩D形盒中有勻強(qiáng)磁場(chǎng)無電場(chǎng),盒間縫隙有交變電場(chǎng)。電場(chǎng)使粒子加速,磁場(chǎng)使粒子回旋。粒子回旋的周期不隨半徑改變。讓電場(chǎng)方向變化的周期與粒子回旋的周期一致,從而保證粒子始終被加速。通過觀看動(dòng)畫,了解回旋加速器的工作原理帶電粒子的最終能量當(dāng)帶電粒子的速度最大時(shí),其運(yùn)動(dòng)半徑也最大,由

r=mv/qB得

v=rqB/m,若

D形盒的半徑為

R,則帶電粒子的最終動(dòng)能:所以,要提高加速粒子的最終能量,應(yīng)盡可能增大磁感應(yīng)強(qiáng)度

B和

D形盒的半徑

R。

加速電壓越高,帶電粒子每次加速的動(dòng)能增量越大,回旋半徑也增加越多,導(dǎo)致帶電粒子在D形盒中的回旋次數(shù)越少;反之,加速電壓越低,粒子在D

形盒中回旋的次數(shù)越多,可見加速電壓的高低只影響帶電粒子加速的總次數(shù),并不影響引出時(shí)的速度和相應(yīng)的動(dòng)能,由

可知,增強(qiáng)B

和增大R

可提高加速粒子的最終能量,與加速電壓高低無關(guān)。為什么帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無關(guān)?例3.關(guān)于回旋加速器的工作原理,下列說法正確的是()

A.電場(chǎng)用來加速帶電粒子,磁場(chǎng)則使帶電粒子回旋

B.電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)用來加速帶電粒子

C.同一加速器,對(duì)某種確定的粒子,它獲得的最大動(dòng)能由加速電壓決定

D.同一加速器,對(duì)某種確定的粒子,它獲得的最大動(dòng)能由磁感應(yīng)強(qiáng)度B

和加速電壓決定A應(yīng)用回旋加速器帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)勻速直線運(yùn)動(dòng)(v//B)勻速圓周運(yùn)動(dòng)(v⊥B)規(guī)律質(zhì)譜儀1.質(zhì)譜儀是一種測(cè)定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具,它的構(gòu)造原理如圖,離子源S

產(chǎn)生的各種不同正離子束(速度可看作為零),經(jīng)加速電場(chǎng)加速后垂直進(jìn)入有界勻強(qiáng)磁場(chǎng),到達(dá)記錄它的照相底片P上,設(shè)離子在P

上的位置到入口處S1的距離為x,可以判斷()A.若離子束是同位素,則x

越大,離子質(zhì)量越大B.若離子束是同位素,則x

越大,離子質(zhì)量越小C.只要

x相同,則離子質(zhì)量一定相同D.只要

x相同,則離子的比荷一定相同······

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