選修帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1 選修帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動選修帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動 第1頁/共24頁 洛倫茲力演示儀洛倫茲力演示儀 SN 第2頁/共24頁 帶電粒子在磁場中的運(yùn)動 1.勻速直線運(yùn)動勻速直線運(yùn)動 帶電粒子的速度方帶電粒子的速度方 向與磁場的方向向與磁場的方向平平 行行，帶電粒子受到帶電粒子受到 的洛倫茲力為的洛倫茲力為零零， 粒子做勻速直線運(yùn)粒子做勻速直線運(yùn) 動。動。 第3頁/共24頁 2.勻速圓周運(yùn)動勻速圓周運(yùn)動- 帶電粒子在帶電粒子在 磁場中運(yùn)動磁場中運(yùn)動 ，它所受的，它所受的 洛倫茲力總洛倫茲力總 與速度方向與速度方向 垂直，所以垂直，所以 不做功不做功 ，或，或 者說者說 只改變只改

2、變 粒子的速度粒子的速度 方向方向 ，不改，不改 變粒子的變粒子的速速 度大?。▌佣却笮。▌?能）能）。 垂直進(jìn)入磁場垂直進(jìn)入磁場 第4頁/共24頁 思考與討論：思考與討論： 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動，其軌帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動，其軌 道半徑道半徑r r和周期和周期T T為多大呢？為多大呢？ 一帶電量為一帶電量為q q，質(zhì)量為，質(zhì)量為m m ，速度為，速度為v v的帶電粒子垂的帶電粒子垂 直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B的的 勻強(qiáng)磁場中，其半徑勻強(qiáng)磁場中，其半徑r r和和 周期周期T T為多大？如圖所示為多大？如圖所示 。 第5頁/共24頁 3. 勻速圓周運(yùn)動勻

3、速圓周運(yùn)動v，T與與r的關(guān)系的關(guān)系 4. 向心力大小表達(dá)式向心力大小表達(dá)式 洛倫茲力洛倫茲力 v r T 2 r mv F 2 向向 只受洛倫茲力只受洛倫茲力勻強(qiáng)磁場勻強(qiáng)磁場 v B 第6頁/共24頁 r v mqvB 2 v r T 2 qB mv r qB m T 2 第7頁/共24頁 一個帶電粒子沿垂直于磁場方向射入一勻強(qiáng)磁一個帶電粒子沿垂直于磁場方向射入一勻強(qiáng)磁 場，粒子的一段運(yùn)動徑跡如圖所示，徑跡場，粒子的一段運(yùn)動徑跡如圖所示，徑跡 上每一小段可近似看成圓弧，由于帶電粒上每一小段可近似看成圓弧，由于帶電粒 子的運(yùn)動使沿途的空氣電離，粒子的動能子的運(yùn)動使沿途的空氣電離，粒子的動能 逐漸

4、減?。娏坎蛔儯?，從圖中情況可以逐漸減?。娏坎蛔儯瑥膱D中情況可以 確定（）確定（） A A、粒子從、粒子從a a到到b b，帶正電，帶正電 、粒子從、粒子從b b到到a a，帶正電，帶正電 、粒子從、粒子從a a到到b b，帶負(fù)電，帶負(fù)電 、粒子從、粒子從b b到到a a，帶負(fù)電，帶負(fù)電 a a。 b b。 第8頁/共24頁 如圖所示，在以如圖所示，在以O(shè) O點(diǎn)為圓心半徑為點(diǎn)為圓心半徑為r r的圓形空間內(nèi)，存在著垂的圓形空間內(nèi)，存在著垂 直紙面向里的勻強(qiáng)磁場，一帶電粒子從直紙面向里的勻強(qiáng)磁場，一帶電粒子從A A點(diǎn)以速度點(diǎn)以速度v v0 0垂直于垂直于B B方方 向正對向正對O O點(diǎn)射入磁場

5、中，從點(diǎn)射出，點(diǎn)射入磁場中，從點(diǎn)射出，AOCAOC為為120120，則該帶電，則該帶電 粒子在磁場中運(yùn)動的時間為粒子在磁場中運(yùn)動的時間為 . . vOA C 第9頁/共24頁 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場圓周運(yùn)動的分析方法帶電粒子在勻強(qiáng)磁場圓周運(yùn)動的分析方法 關(guān)鍵是圓心、半徑及偏心角和運(yùn)動時間的確定關(guān)鍵是圓心、半徑及偏心角和運(yùn)動時間的確定 1.圓心的確定：圓心的確定： 畫出帶電粒子運(yùn)動軌跡中任意兩點(diǎn)（一般是射入畫出帶電粒子運(yùn)動軌跡中任意兩點(diǎn)（一般是射入 磁場和射出磁場的兩點(diǎn)）洛侖茲力的方向，其延磁場和射出磁場的兩點(diǎn)）洛侖茲力的方向，其延 長的交點(diǎn)即為圓心。長的交點(diǎn)即為圓心。(F洛 洛提供向心力， 提供向

6、心力，F(xiàn)洛 洛垂直于速度 垂直于速度 ) 半徑一般都在確定圓心的基礎(chǔ)上用平面幾何知識半徑一般都在確定圓心的基礎(chǔ)上用平面幾何知識 求解，常常要解三角形求解，常常要解三角形 2. 半徑半徑的確定：的確定： 利用圓心角與弦切角的關(guān)系或者四邊形的內(nèi)角和利用圓心角與弦切角的關(guān)系或者四邊形的內(nèi)角和 等于等于360360。 。計算出粒子所轉(zhuǎn)過的圓心角 計算出粒子所轉(zhuǎn)過的圓心角的大小，的大小， 用公式用公式t= Tt= T可求出運(yùn)動時間?？汕蟪鲞\(yùn)動時間。 3.運(yùn)動時間運(yùn)動時間的確定：的確定： 360 第10頁/共24頁 質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀原理分析原理分析 1、質(zhì)譜儀是測量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具質(zhì)譜儀是測

7、量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具 2、基本原理基本原理 將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒子經(jīng)同一電場將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒子經(jīng)同一電場 加速再垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，由于粒子動量不同，加速再垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，由于粒子動量不同， 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 位素的種類位素的種類 第11頁/共24頁 例題：一個質(zhì)量為例題：一個質(zhì)量為m m、電荷量為的粒子，從容、電荷量為的粒子，從容 器下方的小孔器下方的小孔S S1 1飄入電勢差為的加速電場，飄入電勢差為的加速電場， 然后經(jīng)過然后經(jīng)過S S3 3沿著與磁場垂直的方向進(jìn)入磁

8、感應(yīng)沿著與磁場垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng) 強(qiáng)度為的勻強(qiáng)磁場中，最后打到照相底片強(qiáng)度為的勻強(qiáng)磁場中，最后打到照相底片 上求：上求： （）求粒子進(jìn)入磁場（）求粒子進(jìn)入磁場 時的速率時的速率 （）求粒子在磁場中（）求粒子在磁場中 運(yùn)動的軌道半徑運(yùn)動的軌道半徑 第12頁/共24頁 問題問題:為什么要制造加速器為什么要制造加速器? 在現(xiàn)代物理學(xué)中,為了探索原子核的結(jié)構(gòu) 和得到各種元素的同位素,研究人員需要大量 的高能粒子去轟擊原子核,由此研究制造出能 在實驗室里產(chǎn)生大量高能粒子的加速器. 第13頁/共24頁 加速器的種類加速器的種類 1.普通加速器普通加速器 2.直線加速器直線加速器 3.回旋加速器 第14頁

9、/共24頁 一一.普通加速器普通加速器 k 2 EmV 2 1 qU= = = + U + 帶電粒子通過普通加速器能獲得的能量帶電粒子通過普通加速器能獲得的能量 EK一般只能達(dá)到幾十萬到幾百萬電子伏一般只能達(dá)到幾十萬到幾百萬電子伏(ev). 演 示 獲得的能量獲得的能量: 不論哪種加速器不論哪種加速器 都是靠電壓產(chǎn)生的電都是靠電壓產(chǎn)生的電 場來對帶電粒子加速場來對帶電粒子加速. 第15頁/共24頁 0 Um Um U/v T2T U 1234 靶靶 演演 示示 + + 二二.直線加速器直線加速器 直線加速器有多個加直線加速器有多個加 速電場速電場,從而能使帶電粒子獲從而能使帶電粒子獲 得更大的

10、能量得更大的能量. A 思考思考: 帶電粒帶電粒 子穿越第子穿越第n個圓筒個圓筒 時的動能為多大時的動能為多大? m mk k n nq qU UE E = = 第16頁/共24頁 回旋加速器主要由回旋加速器主要由D形盒、強(qiáng)電磁鐵、交變電形盒、強(qiáng)電磁鐵、交變電 源、粒子源、引出裝置等組成源、粒子源、引出裝置等組成. 1.構(gòu)造構(gòu)造 三三.回旋加速器回旋加速器 第17頁/共24頁 U U B 演演 示示 U U A A B BA1 A1B1 B1 + + 2.回旋加速器的原理回旋加速器的原理 第18頁/共24頁 思考題思考題1. 帶電粒子在帶電粒子在D形盒內(nèi)做圓周運(yùn)動形盒內(nèi)做圓周運(yùn)動 的周期隨半徑

11、的增大會不會發(fā)生變化的周期隨半徑的增大會不會發(fā)生變化? . . , ,= =: : 以以不不會會發(fā)發(fā)生生變變化化 所所速速度度和和半半徑徑無無關(guān)關(guān)動動的的周周期期與與粒粒子子運(yùn)運(yùn)動動的的 粒粒子子做做圓圓周周運(yùn)運(yùn)可可知知由由公公式式答答 ， qB m2 T 第19頁/共24頁 思考題思考題2. 帶電粒子在帶電粒子在D形盒內(nèi)做圓周運(yùn)形盒內(nèi)做圓周運(yùn) 動的周期與兩動的周期與兩D形盒所連接的高頻交流電源的形盒所連接的高頻交流電源的 周期有什么關(guān)系周期有什么關(guān)系? 答答: 因為帶電粒子在磁場中每運(yùn)動半周加因為帶電粒子在磁場中每運(yùn)動半周加 速一次速一次,加在兩加在兩D形盒間的電壓要與帶電粒子形盒間的電壓要

12、與帶電粒子 的運(yùn)動同步的運(yùn)動同步,所以帶電粒子運(yùn)動的周期與高頻所以帶電粒子運(yùn)動的周期與高頻 交流電源的周期相等交流電源的周期相等. 第20頁/共24頁 思考題思考題3. 帶電帶電 粒子的最高能量與粒子的最高能量與 哪些因素有關(guān)？哪些因素有關(guān)？ 222 2 : , .: 1 . 22 , ,. m mm D mV R qB qBR V m q B R EmV m DR Bqm 答 帶電粒子做圓周運(yùn)動的半徑最大只能等于 形盒的半徑 根據(jù)粒子運(yùn)動的最大速度 為那么粒子獲得的最大能量為 可見帶電粒子獲得的能量與 形合的半徑磁感 強(qiáng)度以及電荷的電量 和質(zhì)量 有關(guān) 第21頁/共24頁 四、小結(jié)四、小結(jié) 通

13、過本節(jié)課學(xué)習(xí)，主要學(xué)習(xí)了以下幾個問題：通過本節(jié)課學(xué)習(xí)，主要學(xué)習(xí)了以下幾個問題： 1.在直線加速器中在直線加速器中,帶電粒子獲得的能量帶電粒子獲得的能量: Ek=nqU. 2.回旋加速器的主要構(gòu)造：回旋加速器的主要構(gòu)造：D形盒、強(qiáng)電磁鐵、形盒、強(qiáng)電磁鐵、 交變電源、粒子源、引出裝置交變電源、粒子源、引出裝置. 3.回旋加速器的加速條件：交流電源的周期與回旋加速器的加速條件：交流電源的周期與 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動的周期相同帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動的周期相同 . 4.在回旋加速器中，帶電粒子的最高能量為在回旋加速器中，帶電粒子的最高能量為: m2 RqB E 222 m= = 在帶電粒子一定的條件下，在帶電粒子一定的條件下，Em決定于決定于D形盒形盒 的最大半徑和磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大半徑和磁感應(yīng)強(qiáng)度. 第22頁/共24頁 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動 一、帶電粒子垂直磁場方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場的運(yùn)動：一、帶電粒子