帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)(史上最全)PPT課件

.,1,帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),.,2,帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)形式,.,3,判斷下圖中帶電粒子（電量q，重力不計(jì)）所受洛倫茲力的大小和方向：,1、勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。,2、勻速圓周運(yùn)動(dòng)。,.,4,帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力就是它做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力,請(qǐng)你推導(dǎo)半徑和周期表達(dá)式。,實(shí)驗(yàn)演示,.,5,3、粒子運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)有一夾角（大于0度小于90度）軌跡為螺線(xiàn),.,6,1、如圖所示，一束電子（電量為e）以速度v垂直從A點(diǎn)射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，寬度為d的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，且與磁場(chǎng)的邊界垂直，通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)速度方向與電子原來(lái)入射方向的夾角是30，則：電子的質(zhì)量是，通過(guò)磁場(chǎng)的時(shí)間是。,一、磁場(chǎng)作用下粒子的偏轉(zhuǎn),.,7,2、如圖所示，在半徑為R的圓的范圍內(nèi)，有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，方向垂直圓所在平面向里一帶負(fù)電的質(zhì)量為m電量為q粒子，從A點(diǎn)沿半徑AO的方向射入，并從C點(diǎn)射出磁場(chǎng)AOC120o則此粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)行的時(shí)間t_(不計(jì)重力),.,8,3.圖中MN表示真空室中垂直于紙面的平板，它的一側(cè)有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直紙面向里，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B。一帶電粒子從平板上的狹縫O處以垂直于平板的初速v射入磁場(chǎng)區(qū)域，最后到達(dá)平板上的P點(diǎn)。已知B、v以及P到O的距離l不計(jì)重力,求此粒子的電荷q與質(zhì)量m之比。,.,9,4、長(zhǎng)為L(zhǎng)的水平極板間，有垂直紙面向內(nèi)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，如圖所示，磁場(chǎng)強(qiáng)度為B，板間距離也為L(zhǎng)，板不帶電，現(xiàn)有質(zhì)量為m，電量為q的帶正電粒子（不計(jì)重力），從左邊極板間中點(diǎn)處垂直磁場(chǎng)以速度v平行極板射入磁場(chǎng)，欲使粒子不打在極板上，則粒子入射速度v應(yīng)滿(mǎn)足什么條件？,.,10,1.如圖，虛線(xiàn)上方存在無(wú)窮大的磁場(chǎng)，一帶正電的粒子質(zhì)量m、電量q、若它以速度v沿與虛線(xiàn)成300、600、900、1200、1500、1800角分別射入，請(qǐng)你作出上述幾種情況下粒子的軌跡、并求其在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。,二、有界磁場(chǎng)問(wèn)題：,.,11,粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱(chēng)規(guī)律：從同一直線(xiàn)邊界射入的粒子，從同一邊界射出時(shí)，速度與邊界的夾角相等。,1、兩個(gè)對(duì)稱(chēng)規(guī)律：,.,12,入射角300時(shí),.,13,.,14,入射角1500時(shí),.,15,.,16,4、如圖所示，在第一象限有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，一個(gè)質(zhì)量為m，帶電量為+q的粒子以速度v從O點(diǎn)射入磁場(chǎng)，角已知，求粒子在磁場(chǎng)中飛行的時(shí)間和飛離磁場(chǎng)的位置（粒子重力不計(jì)）,.,17,2、如圖所示，在y則下列說(shuō)法中正確的是A.液滴一定做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)B.液滴一定帶負(fù)電C.電場(chǎng)線(xiàn)方向一定斜向下D.液滴也有可能做勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),（1）直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的情形：,.,37,例2、如圖，套在足夠長(zhǎng)的絕緣直棒上的小球，其質(zhì)量為m，帶電量+q，小球可在棒上滑動(dòng)，將此棒豎直放在相互垂直，且沿水平方向的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，電場(chǎng)強(qiáng)度為E，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，小球與棒的動(dòng)摩擦因數(shù)為，求小球由靜止沿棒下落的最大加速度和最大速度。,變化4：假如電場(chǎng)反向，判斷運(yùn)動(dòng)情形。,變化1、小球加速度為最大加速度的一半時(shí)的速度。,變化3、小球下滑速度為最大速度一半時(shí)的加速度。,變化2、假如問(wèn)題同變化1。,.,38,變化5、如圖所示，質(zhì)量是m的小球帶有正電荷，電量為q，小球中間有一孔套在足夠長(zhǎng)的絕緣細(xì)桿上。桿與水平方向成角，與球的動(dòng)摩擦因數(shù)為，此裝置放在沿水平方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。若從高處將小球無(wú)初速釋放，求：小球下滑過(guò)程中加速度的最大值和運(yùn)動(dòng)速度的最大值。,.,39,變化6：如圖所示，在空間存在著水平向右、場(chǎng)強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)，同時(shí)存在著豎直向上、磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。在這個(gè)電、磁場(chǎng)共同存在的區(qū)域內(nèi)有一足夠長(zhǎng)的絕緣桿沿水平方向放置，桿上套有一個(gè)質(zhì)量為m、帶電荷量為q的金屬環(huán)。已知金屬環(huán)與絕緣桿間的動(dòng)摩擦因數(shù)為，且mgqE?，F(xiàn)將金屬環(huán)由靜止釋放，設(shè)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中金屬環(huán)所帶電荷量不變。,(1)試定性說(shuō)明金屬環(huán)沿桿的運(yùn)動(dòng)情況。,(3)求金屬環(huán)運(yùn)動(dòng)的最大速度的大小。,(2)求金屬環(huán)運(yùn)動(dòng)的最大加速度的大小。,.,40,變7帶負(fù)電的小物體A放在傾角為（sin=0.6）的絕緣斜面上。整個(gè)斜面處于范圍足夠大、方向水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)中，如圖所示。物體A的質(zhì)量為m，電量為-q，與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為，它在電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力的大小等于重力的一半。物體A在斜面上由靜止開(kāi)始下滑，經(jīng)時(shí)間t后突然在斜面區(qū)域加上范圍足夠大的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直于紙面。磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，此后物體A沿斜面繼續(xù)下滑距離L后離開(kāi)斜面。,物體A在斜面上的運(yùn)動(dòng)情況如何？說(shuō)明理由。,物體A在斜面上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由多少能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能？,.,41,例2、如圖，PQ為一塊長(zhǎng)為L(zhǎng)，水平放置的絕緣平板，整個(gè)空間存在著水平向左的勻強(qiáng)電場(chǎng)，板的右半部分還存在著垂直于紙面向里的有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)，一質(zhì)量為m，帶電量為q的物體，從板左端P由靜止開(kāi)始做勻加速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入磁場(chǎng)后恰作勻速運(yùn)動(dòng)，碰到右端帶控制開(kāi)關(guān)K的擋板后被彈回，且電場(chǎng)立即被撤消，物體在磁場(chǎng)中仍做勻速運(yùn)動(dòng)，離開(kāi)磁場(chǎng)后做勻減速運(yùn)動(dòng)，最后停在C點(diǎn)，已知PC=L/4，物體與板間動(dòng)摩擦因數(shù)為,求：（1）物體帶何種電荷？（2）物體與板碰撞前后的速度v1和v2（3）電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B多大？,.,42,例3、如圖所示，勻強(qiáng)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)E=4V/m，方向水平向左勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度B=2T，方向垂直于紙面向里，一個(gè)質(zhì)量為m=1g、帶正電的小物體A從M點(diǎn)沿絕緣粗糙的豎直壁無(wú)初速下滑，當(dāng)它滑行h=0.8m到N點(diǎn)時(shí)離開(kāi)壁做曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到P點(diǎn)時(shí)恰好處于平衡狀態(tài)，此時(shí)速度方向與水平成450角，設(shè)P與M的高度差H=1.6m，求（1）A沿壁下滑過(guò)程中摩擦力作的功。（2）P與M的水平距離。,.,43,例1、用絕緣細(xì)線(xiàn)懸吊著的帶正電小球在勻勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，則A、當(dāng)小球每次通過(guò)平衡位置時(shí)，動(dòng)能相同B、當(dāng)小球每次通過(guò)平衡位置時(shí)，速度相同C、當(dāng)小球每次通過(guò)平衡位置時(shí)，絲線(xiàn)拉力相同D、撤消磁場(chǎng)后，小球擺動(dòng)周期變化,（2）圓周運(yùn)動(dòng)情形,.,44,例2、如圖所示，水平放置的平行金屬板AB間距為d，水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)為B。今有一帶電粒子在AB間豎直平面內(nèi)作半徑為R的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則帶電粒子轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)闀r(shí)針，速率為。,.,45,例3、在光滑絕緣水平面上，一輕繩拉著一個(gè)帶電小球繞豎直方向的軸O在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做逆時(shí)針?lè)较虻乃絼蛩賵A周運(yùn)動(dòng)，磁場(chǎng)方向豎直向下，其俯視圖如圖9所示，若小球運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)時(shí)，繩子突然斷開(kāi)，關(guān)于小球在繩斷開(kāi)后可能的運(yùn)動(dòng)情況，以下說(shuō)法正確的是（）。,A小球仍做逆時(shí)針勻速圓周運(yùn)動(dòng)，半徑不變B小球仍做逆時(shí)針勻速圓周運(yùn)動(dòng)，半徑減小C小球做順時(shí)針勻速圓周運(yùn)動(dòng)，半徑不變D小球做順時(shí)針勻速圓周運(yùn)動(dòng)，半徑減小,.,46,例4、在如圖所示的直角坐標(biāo)系中,坐標(biāo)原點(diǎn)O處固定有正電荷,另有平行于y軸的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。一個(gè)質(zhì)量為m帶電量為q的微粒,恰能以y軸上P點(diǎn)(0,a,0)為圓心做勻速圓周運(yùn)動(dòng),其軌跡平面與xOz平面平行,角速度為,旋轉(zhuǎn)方向如圖中箭頭所示,試求勻強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小和方向。,.,47,例5、在豎直放置的光滑絕緣圓環(huán)中，套有一個(gè)帶電荷量為一q、質(zhì)量為m的小環(huán)，整個(gè)裝置放在如圖所示的正交電磁場(chǎng)中，已知E=mg/q當(dāng)小環(huán)從大環(huán)頂無(wú)初速下滑時(shí)，在滑過(guò)什么弧度時(shí)所受洛侖茲力最大？,.,48,例1、如圖所示，一個(gè)質(zhì)量為m、帶電量為q的正離子，在D處沿著圖示的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)方向垂直紙面向里，結(jié)果離子正好從離開(kāi)A點(diǎn)距離為d的小孔C沿垂直于AC的方向進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)，此電場(chǎng)方向與AC平行且向上，最后離子打在B處，而B(niǎo)離A點(diǎn)距離為2d（ABAC），不計(jì)粒子重力，離子運(yùn)動(dòng)軌跡始終在紙面內(nèi)，求：（1）離子從D到B所需的時(shí)間（2）離子到達(dá)B處時(shí)的動(dòng)能,（3）多種運(yùn)動(dòng)綜合。,.,49,例2、如圖所示，在x軸上方是垂直紙面向里的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，在x軸下方是方向與y軸正方向相反的場(chǎng)強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)，已知沿x軸方向跟坐標(biāo)原點(diǎn)相距為L(zhǎng)處有一垂直于x軸的屏MN?，F(xiàn)有一質(zhì)量m、帶電荷量為-q的粒子從坐標(biāo)原點(diǎn)沿y軸正方向射入磁場(chǎng)。如果想使粒子垂直打在光屏MN上，那么：（1）電荷從坐標(biāo)原點(diǎn)射入時(shí)速度應(yīng)為多大？（2）電荷從射入磁場(chǎng)到垂直打在屏上要用多少時(shí)間？,.,50,例3、如圖所示，在y0的空間中存在勻強(qiáng)電場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)沿y軸負(fù)方向；在y0的空間中，存在勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直xy平面（紙面）向外。一電量為q、質(zhì)量為m的帶正電的運(yùn)動(dòng)粒子，經(jīng)過(guò)y軸上yh處的點(diǎn)P1時(shí)速率為v0，方向沿x軸正方向；然后，經(jīng)過(guò)x軸上x(chóng)2h處的P2點(diǎn)進(jìn)入磁場(chǎng)，并經(jīng)過(guò)y軸上y2h處的P3點(diǎn)。不計(jì)重力。求,24.,（2）粒子到達(dá)P2時(shí)速度的大小和方向。,（3）磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。,（l）電場(chǎng)強(qiáng)度的大小。,.,51,例4、如圖所示，水平虛線(xiàn)上方有場(chǎng)強(qiáng)為E1的勻強(qiáng)電場(chǎng)，方向豎直向下，虛線(xiàn)下方有場(chǎng)強(qiáng)為E2的勻強(qiáng)電場(chǎng)，方向水平向右；在虛線(xiàn)上、下方均有磁感應(yīng)強(qiáng)度相同的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，方向垂直紙面向外。ab是一長(zhǎng)為L(zhǎng)的絕緣細(xì)桿，豎直位于虛線(xiàn)上方，b端恰在虛線(xiàn)上。將一套在桿上的帶電小環(huán)從a端由靜止開(kāi)始釋放，小環(huán)先加速而后勻速到達(dá)b端，環(huán)與桿之間的動(dòng)摩擦因數(shù)v=0.3,環(huán)的重力不計(jì),當(dāng)環(huán)脫離桿后在虛線(xiàn)下方沿原方向作勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),求：(1)E1與E2的比值。(2)若撤去虛線(xiàn)下方的電場(chǎng),小環(huán)進(jìn)入虛線(xiàn)下方后的運(yùn)動(dòng)軌跡為半圓,圓周半徑為,環(huán)從a到b的過(guò)程中克服摩擦力做功Wf與電場(chǎng)做功WE之比有多大。,.,52,1、速度選擇器如圖，在平行板電容器中，電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B相互垂直。具有某一速度v的帶電粒子將沿虛線(xiàn)通過(guò)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而其它速度的帶電粒子將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這種器件能把上述速度為v的粒子選擇出來(lái)，所以叫速度選擇器。試證明帶電粒子具有的速度v=E/B，才能沿圖示的虛線(xiàn)通過(guò)。,四、幾種實(shí)際應(yīng)用,.,53,2、霍爾效應(yīng)如圖，厚度為h，寬度為d的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體板的上側(cè)面A和下側(cè)面A之間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，電勢(shì)差為U，電流I和B的關(guān)系為U=KIB/d。式中的比例系數(shù)K為霍爾系數(shù)。設(shè)電流I是電子的定向移動(dòng)形成的，電子的平均定向速度為v，電量為e，回答以下問(wèn)題：,（1）達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)體板上側(cè)面A的電勢(shì)下側(cè)面A的電勢(shì)（填“高于”、“低于”或“等于”）。,（2）電子所受洛倫茲力的大小為。,（3）當(dāng)導(dǎo)體板上下兩側(cè)之間的電勢(shì)差為U時(shí)，電子所受靜電力的大小為,（4）證明霍爾系數(shù)為K=1/ne，其中n為導(dǎo)體單位體積中電子的個(gè)數(shù)。,.,54,、磁流體發(fā)電機(jī)（1）如圖，一束等離子體射入兩平行金屬板之間的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，導(dǎo)線(xiàn)CD將受到力的作用，下列說(shuō)法正確的是（）A、等離子體從右方射入，CD受到向左的作用力B、等離子體從右方射入，CD受到向右的作用力C、等離子體從左方射入，CD受到向左的作用力D、等離子體從左方射入，CD受到向右的作用力,.,55,（2）實(shí)驗(yàn)用磁流體發(fā)電機(jī)，兩極板間距d=20cm，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=5T，若接入額定功率P=100W的燈泡，正好正常發(fā)光，且燈泡正常發(fā)光時(shí)電阻R=100，不計(jì)發(fā)電機(jī)內(nèi)阻，求：等離子體的流速為多大？若等離子體均為一價(jià)離子，每秒鐘有多少個(gè)什么性質(zhì)的離子打在下極板？,.,56,、電磁流量計(jì)如圖為電磁流量計(jì)的示意圖，非磁性管直徑為d，內(nèi)有導(dǎo)電液體流動(dòng)，在垂直液體流向的方向上加一指向紙里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，測(cè)得液體a、b兩點(diǎn)間的電勢(shì)差為U，則管內(nèi)導(dǎo)電液體的流量Q=m3/s。,.,57,5、高能粒子在現(xiàn)代高科技活動(dòng)中具有廣泛應(yīng)用，如微觀粒子的研究、核能的生產(chǎn)等。粒子加速器是實(shí)現(xiàn)高能粒子的主要途徑。如圖所示為環(huán)形粒子加速器的示意圖，圖中實(shí)線(xiàn)所示環(huán)形區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面向外的大小可調(diào)節(jié)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，質(zhì)量為m，電荷量為q的帶正電的粒子在環(huán)中做半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)。A、B為兩塊中心開(kāi)有小孔的極板，原來(lái)電勢(shì)都為零，每當(dāng)粒子飛經(jīng)A板時(shí)，A板電勢(shì)升高為+U，B板的電勢(shì)保持為零，粒子在兩板之間電場(chǎng)中加速，每當(dāng)粒子離開(kāi)B板時(shí)，A板電勢(shì)又突然變?yōu)榱?，粒子在電?chǎng)的一次次加速下動(dòng)能不斷增大，但繞行半徑R卻始終保持不變。,（1）設(shè)t=0時(shí)，粒子靜止在A板小孔處，在電場(chǎng)作用下開(kāi)始加速，并繞行第一圈。求粒子繞行n圈回到A板時(shí)獲得的總動(dòng)能Ek,（2）為使粒子始終保持在半徑為R的圓軌道上運(yùn)動(dòng)，磁場(chǎng)必須周期性遞增，求粒子繞行第n圈時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度Bn應(yīng)為多少？,（3）求粒子繞行n圈所需總時(shí)間（粒子通過(guò)A、B之間的時(shí)間不計(jì)