高中物理磁場帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動新人教版選修3

高中物理磁場帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動新人教版選修3CATALOGUE目錄磁場基本概念與性質(zhì)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中受力分析帶電粒子在復(fù)合場中運(yùn)動規(guī)律研究帶電粒子在周期性變化磁場中運(yùn)動規(guī)律研究實(shí)驗(yàn)：研究帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律01磁場基本概念與性質(zhì)存在于磁體或通電螺線管周圍的特殊物質(zhì)，具有對放入其中的磁體或通電導(dǎo)線產(chǎn)生力的作用。磁場定義小磁針靜止時(shí)N極所指的方向規(guī)定為該點(diǎn)的磁場方向。方向規(guī)定磁場定義及方向規(guī)定磁感線描述方法磁感線概念：用來形象地表示磁場強(qiáng)弱和方向的一系列閉合曲線。磁感線上某點(diǎn)的切線方向表示該點(diǎn)的磁場方向。磁感線的疏密程度表示磁場的強(qiáng)弱。磁感線特點(diǎn)勻強(qiáng)磁場中各點(diǎn)的磁場方向相同，且與磁感線方向一致。勻強(qiáng)磁場特點(diǎn)勻強(qiáng)磁場定義：強(qiáng)弱和方向處處相同的磁場。勻強(qiáng)磁場中的磁感線是等間距的平行直線。勻強(qiáng)磁場中各點(diǎn)的磁場強(qiáng)弱相等。勻強(qiáng)磁場特點(diǎn)分析0103020405VS$F=qvB$，其中$q$為帶電粒子所帶電荷量，$v$為帶電粒子速度，$B$為磁感應(yīng)強(qiáng)度。方向判斷根據(jù)左手定則判斷，伸開左手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使四指指向電流的方向（或正電荷運(yùn)動方向），這時(shí)拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力的方向（或正電荷所受洛倫茲力的方向）。洛倫茲力公式洛倫茲力公式及方向判斷02帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中受力分析根據(jù)左手定則，洛倫茲力方向垂直于帶電粒子運(yùn)動方向和磁場方向所構(gòu)成的平面。在勻強(qiáng)磁場中，帶電粒子受到恒定的洛倫茲力作用，將沿著一個(gè)圓形或螺旋形的軌跡運(yùn)動。洛倫茲力作用下帶電粒子運(yùn)動軌跡運(yùn)動軌跡洛倫茲力方向圓周運(yùn)動條件當(dāng)帶電粒子受到的洛倫茲力恰好提供其做圓周運(yùn)動所需的向心力時(shí)，粒子將做勻速圓周運(yùn)動。半徑公式推導(dǎo)根據(jù)牛頓第二定律和洛倫茲力公式，可以推導(dǎo)出帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做圓周運(yùn)動的半徑公式為r=mv/qB，其中m為粒子質(zhì)量，v為粒子速度，q為粒子電荷量，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。圓周運(yùn)動條件與半徑公式推導(dǎo)圓心角與時(shí)間的關(guān)系在勻強(qiáng)磁場中，帶電粒子做圓周運(yùn)動的圓心角與時(shí)間成正比，即θ=ωt，其中θ為圓心角，ω為角速度，t為時(shí)間。周期和頻率帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做圓周運(yùn)動的周期為T=2πm/qB，頻率為f=qB/2πm，其中T為周期，f為頻率。圓心角、周期和頻率關(guān)系探討回旋加速器主要由兩個(gè)D形金屬盒、高頻交流電源和勻強(qiáng)磁場組成。D形金屬盒之間留有窄縫，使得帶電粒子在盒間做圓周運(yùn)動?；匦铀倨鹘Y(jié)構(gòu)當(dāng)帶電粒子進(jìn)入回旋加速器后，在D形金屬盒間受到高頻交流電場的作用而不斷加速。同時(shí)，粒子在勻強(qiáng)磁場中受到洛倫茲力的作用而做圓周運(yùn)動。通過調(diào)整高頻交流電源的頻率和勻強(qiáng)磁場的強(qiáng)度，可以控制粒子的加速效果和運(yùn)動軌跡。工作原理實(shí)例：回旋加速器原理介紹03帶電粒子在復(fù)合場中運(yùn)動規(guī)律研究帶電粒子在復(fù)合場中受到的重力作用與普通物體相同，方向豎直向下。重力作用帶電粒子在電場中受到電場力作用，其大小與電荷量和電場強(qiáng)度有關(guān)，方向沿電場線方向或與電場線方向相反。電場力作用當(dāng)帶電粒子垂直于磁場方向運(yùn)動時(shí)，會受到洛倫茲力作用，其大小與電荷量、速度和磁場強(qiáng)度有關(guān)，方向垂直于磁場方向和粒子運(yùn)動方向所構(gòu)成的平面。洛倫茲力作用重力、電場力和洛倫茲力共同作用分析在處理復(fù)合場問題時(shí)，可以將重力與電場力合成為一個(gè)等效重力，從而簡化問題。等效重力概念等效重力加速度等效重力勢能等效重力的加速度等于重力加速度與電場力產(chǎn)生的加速度的矢量和。等效重力勢能等于重力勢能與電場力勢能之和。030201等效重力法在處理復(fù)合場問題中應(yīng)用通過分析帶電粒子在復(fù)合場中的受力情況和運(yùn)動狀態(tài)，確定粒子恰好能做某種運(yùn)動的臨界條件。臨界條件判斷利用數(shù)學(xué)方法求解帶電粒子在復(fù)合場中的速度、位移等物理量的極值問題。極值問題求解臨界條件判斷和極值問題求解方法

實(shí)例：質(zhì)譜儀工作原理剖析質(zhì)譜儀構(gòu)成質(zhì)譜儀主要由加速電場、偏轉(zhuǎn)磁場和探測器等部分構(gòu)成。工作原理帶電粒子在加速電場中獲得動能，然后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不同質(zhì)量的粒子偏轉(zhuǎn)程度不同，從而被分離和檢測。應(yīng)用領(lǐng)域質(zhì)譜儀在化學(xué)、物理、生物等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，如分析化學(xué)中的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵、研究物理學(xué)中的基本粒子和相互作用等。04帶電粒子在周期性變化磁場中運(yùn)動規(guī)律研究周期性變化磁場產(chǎn)生原因周期性變化的電流或電場可以產(chǎn)生周期性變化的磁場。周期性變化磁場的特點(diǎn)磁場強(qiáng)度和方向隨時(shí)間作周期性變化。周期性變化磁場產(chǎn)生原因及特點(diǎn)分析帶電粒子在周期性變化磁場中受力特點(diǎn)洛倫茲力帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力的作用，其大小與粒子速度、磁感應(yīng)強(qiáng)度及粒子所帶電荷量有關(guān)，方向垂直于粒子速度和磁感應(yīng)強(qiáng)度所決定的平面。周期性變化由于磁場的周期性變化，洛倫茲力也隨之周期性變化，導(dǎo)致帶電粒子的運(yùn)動狀態(tài)也發(fā)生周期性變化。帶電粒子在周期性變化磁場中的運(yùn)動軌跡一般不是直線，而是復(fù)雜的曲線。盡管運(yùn)動軌跡復(fù)雜，但帶電粒子的運(yùn)動狀態(tài)呈現(xiàn)出一定的周期性規(guī)律，如速度、加速度等物理量的周期性變化。運(yùn)動軌跡周期性規(guī)律運(yùn)動軌跡和周期性規(guī)律探討霍爾效應(yīng)當(dāng)一塊通有電流的導(dǎo)體或半導(dǎo)體置于磁場中時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上會產(chǎn)生一個(gè)電勢差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。原理分析霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生與帶電粒子在磁場中的運(yùn)動規(guī)律密切相關(guān)。當(dāng)帶電粒子通過導(dǎo)體或半導(dǎo)體時(shí)，由于洛倫茲力的作用，粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而在導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成電勢差。這一電勢差可用于測量磁場強(qiáng)度或電流大小等物理量。實(shí)例：霍爾效應(yīng)原理介紹05實(shí)驗(yàn)：研究帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律通過觀察和測量帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動軌跡，探究粒子運(yùn)動速度與磁場強(qiáng)度的關(guān)系，驗(yàn)證洛倫茲力公式，加深對磁場對帶電粒子作用的理解。實(shí)驗(yàn)?zāi)康漠?dāng)帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場時(shí)，會受到洛倫茲力的作用，其運(yùn)動軌跡為一段圓弧。通過測量粒子運(yùn)動的半徑和周期，可以計(jì)算出粒子的速度和磁場的強(qiáng)度。原理闡述實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮黻U述實(shí)驗(yàn)器材：洛倫茲力演示儀、電源、導(dǎo)線、電流表、電壓表、滑動變阻器、開關(guān)、絕緣墊等。實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備及操作步驟說明操作步驟1.將洛倫茲力演示儀放置在絕緣墊上，接通電源，調(diào)整磁場強(qiáng)度至適當(dāng)值。2.將帶電粒子源安裝在演示儀上，并調(diào)整粒子源的位置和角度，使粒子垂直進(jìn)入磁場。實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備及操作步驟說明3.打開粒子源，觀察并記錄粒子在磁場中的運(yùn)動軌跡。4.通過電流表和電壓表測量電路中的電流和電壓值，記錄數(shù)據(jù)。5.改變滑動變阻器的阻值，重復(fù)步驟3和4多次，獲取足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備及操作步驟說明數(shù)據(jù)處理方法和誤差來源分析根據(jù)測量得到的粒子運(yùn)動半徑和周期，利用公式計(jì)算出粒子的速度和磁場的強(qiáng)度。通過繪制速度-半徑曲線或速度-周期曲線，可以直觀地展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。數(shù)據(jù)處理方法誤差主要來源于測量過程中的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。系統(tǒng)誤差包括儀器誤差、操作誤差等；隨機(jī)誤差則是由測量過程中的偶然因素引起的。為減小誤差，可以采用多次測量取平均值的方法，同時(shí)保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定和儀器的精確。誤差來源分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析，可以得到帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測相符，驗(yàn)證了洛倫茲力公式的正確性。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也展示了磁場對