物理：36《帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)》PPT課件(新人教版_選修3-1)

1、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)討論：討論：若帶電粒子（不計(jì)重力）以沿著與若帶電粒子（不計(jì)重力）以沿著與勻強(qiáng)磁場(chǎng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直垂直的方向射入磁場(chǎng)，粒子將如何運(yùn)動(dòng)？的方向射入磁場(chǎng)，粒子將如何運(yùn)動(dòng)？2、洛倫茲力的方向總是與速度方向垂直，洛、洛倫茲力的方向總是與速度方向垂直，洛倫茲力只會(huì)改變粒子速度的方向，不會(huì)改變倫茲力只會(huì)改變粒子速度的方向，不會(huì)改變其大小。其大小。 1、由于是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，洛倫茲力大小保持不變、由于是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，洛倫茲力大小保持不變3、該帶點(diǎn)粒子將會(huì)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲、該帶點(diǎn)粒子將會(huì)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力。力提供向心力。 亥姆霍茲線圈亥姆霍茲線圈電電 子子 槍槍

2、磁場(chǎng)強(qiáng)弱選擇擋磁場(chǎng)強(qiáng)弱選擇擋加速電壓加速電壓選擇擋選擇擋洛倫茲力演示器洛倫茲力演示器實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：觀察觀察1：不加磁場(chǎng)時(shí)電子束軌跡：不加磁場(chǎng)時(shí)電子束軌跡結(jié)論：軌跡是一條直線結(jié)論：軌跡是一條直線判斷：若加逆時(shí)針的勵(lì)磁電流，磁場(chǎng)方向如判斷：若加逆時(shí)針的勵(lì)磁電流，磁場(chǎng)方向如何，電子偏轉(zhuǎn)方向?qū)⑷绾?？何，電子偏轉(zhuǎn)方向?qū)⑷绾?？觀察觀察2 判斷：若加順時(shí)針的勵(lì)磁電流，磁場(chǎng)方向如判斷：若加順時(shí)針的勵(lì)磁電流，磁場(chǎng)方向如何，電子偏轉(zhuǎn)方向?qū)⑷绾?？何，電子偏轉(zhuǎn)方向?qū)⑷绾?？觀察觀察3 實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：結(jié)論結(jié)論1：不加磁場(chǎng)時(shí)電子束軌跡不加磁場(chǎng)時(shí)電子束軌跡軌跡是一條直線軌跡是一條直線結(jié)論結(jié)論2: 帶電粒子垂直于磁場(chǎng)方

3、向進(jìn)入磁場(chǎng)后將帶電粒子垂直于磁場(chǎng)方向進(jìn)入磁場(chǎng)后將做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力。做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力。觀察觀察3：改變加速電壓和勵(lì)磁電流時(shí)，電子束：改變加速電壓和勵(lì)磁電流時(shí)，電子束軌跡半徑有何變化？如何解釋？軌跡半徑有何變化？如何解釋？ 一、一、帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑勻強(qiáng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)中帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑與哪些因磁場(chǎng)中帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑與哪些因素有關(guān)？素有關(guān)？思路思路: 帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力。供向心力?？梢娍梢妑與速度與速度V、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、粒子的比荷有關(guān)、粒子的比荷有關(guān)rvmqv2B

4、qBmvr 例例1 1：一個(gè)帶電粒子，沿垂直于磁場(chǎng)的方向：一個(gè)帶電粒子，沿垂直于磁場(chǎng)的方向射入一勻強(qiáng)磁場(chǎng)粒子的一段徑跡如下圖所射入一勻強(qiáng)磁場(chǎng)粒子的一段徑跡如下圖所示徑跡上的每一小段都可近似看成圓示徑跡上的每一小段都可近似看成圓弧由于帶電粒子使沿途的空氣電離，粒子弧由于帶電粒子使沿途的空氣電離，粒子的能量逐漸減小的能量逐漸減小( (帶電量不變帶電量不變) )從圖中情況從圖中情況可以確定可以確定A A粒子從粒子從a a到到b b，帶正電，帶正電B B粒子從粒子從a a到到b b，帶負(fù)電，帶負(fù)電C C粒子從粒子從b b到到a a，帶正電，帶正電D D粒子從粒子從b b到到a a，帶負(fù)電，帶負(fù)電 C

5、C應(yīng)用：應(yīng)用：同一磁場(chǎng)中不同帶電粒子的跡徑不同同一磁場(chǎng)中不同帶電粒子的跡徑不同qBmvr 能否根據(jù)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡分辨能否根據(jù)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡分辨初速度為零但比荷不同的粒子？初速度為零但比荷不同的粒子？質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀通過(guò)測(cè)出粒子圓周運(yùn)動(dòng)的半徑，計(jì)算粒子通過(guò)測(cè)出粒子圓周運(yùn)動(dòng)的半徑，計(jì)算粒子的比荷或質(zhì)量及分析同位素的儀器的比荷或質(zhì)量及分析同位素的儀器. 例例2： 一個(gè)質(zhì)量為一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為、電荷量為q的粒子，從容器的粒子，從容器下方的小孔下方的小孔S1飄入電勢(shì)差為飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng)，其初速度幾的加速電場(chǎng)，其初速度幾乎為零，然后經(jīng)過(guò)乎為零，然后經(jīng)過(guò)S3沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)沿著

6、與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打到照相底片的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打到照相底片D上。上。（1）求粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率。）求粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率。（2）求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。）求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。mq2vqUmv21S S221U可得：能間，電場(chǎng)力做功獲得動(dòng)在qmU2B1rvqmvrrvmqvv2可得：代入力提供向心力垂直進(jìn)入磁場(chǎng)，洛倫茲以速度BB 可見半徑不同可見半徑不同意味著比荷不同，意味著比荷不同，意味著它們是不同意味著它們是不同的粒子的粒子二、二、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)周期帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)周期帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做

7、勻速圓周運(yùn)動(dòng)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)周期有何特征？時(shí)周期有何特征？BTmvrTqm2qBvr2可知結(jié)合根據(jù)可見同一個(gè)粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周可見同一個(gè)粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期與速度無(wú)關(guān)運(yùn)動(dòng)的周期與速度無(wú)關(guān)回旋加速器就是根據(jù)這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)的回旋加速器就是根據(jù)這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)的 加速器加速器1.直線加速器直線加速器2回旋加速器回旋加速器 回旋加速器回旋加速器兩兩D形盒中有形盒中有勻強(qiáng)磁場(chǎng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)無(wú)電場(chǎng)，盒無(wú)電場(chǎng)，盒間縫隙有間縫隙有交變電場(chǎng)交變電場(chǎng)。電場(chǎng)使粒子加速，磁場(chǎng)使粒子回旋。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粒子回旋的周期不隨半徑改變。改變。讓電場(chǎng)方向變

8、化的讓電場(chǎng)方向變化的周期與粒子回旋的周期一周期與粒子回旋的周期一致致，從而保證粒子始終被，從而保證粒子始終被加速。加速。1. 在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng),周期不變周期不變2. 每一個(gè)周期加速兩次每一個(gè)周期加速兩次3. 電場(chǎng)的周期與粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)周期相電場(chǎng)的周期與粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)周期相同同4. 電場(chǎng)一個(gè)周期中方向變化兩次電場(chǎng)一個(gè)周期中方向變化兩次5. 粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定6. 電場(chǎng)加速過(guò)程中電場(chǎng)加速過(guò)程中,時(shí)間極短時(shí)間極短,可忽略可忽略結(jié)論結(jié)論例例3：關(guān)于回旋加速器的工作原理，下列說(shuō)法正確的是：關(guān)于回旋加速器的工作原理，下列說(shuō)法

9、正確的是：A、電場(chǎng)用來(lái)加速帶電粒子，磁場(chǎng)則使帶電粒子回旋、電場(chǎng)用來(lái)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(lái)加速帶電粒子、電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)用來(lái)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、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、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)度動(dòng)能由磁感應(yīng)強(qiáng)度B決定和加速電壓決定決定和加速電壓決定(A) 例例4：垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)僅限于寬度為：垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)僅限于寬度為d的的條形區(qū)域內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為條形區(qū)域內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B一個(gè)質(zhì)

10、量為一個(gè)質(zhì)量為m、電量為電量為q的粒子以一定的速度垂直于磁場(chǎng)邊界方的粒子以一定的速度垂直于磁場(chǎng)邊界方向從向從點(diǎn)垂直飛入磁場(chǎng)區(qū)，如圖所示，當(dāng)它飛離點(diǎn)垂直飛入磁場(chǎng)區(qū)，如圖所示，當(dāng)它飛離磁場(chǎng)區(qū)時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)區(qū)時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)角試求粒子在磁場(chǎng)角試求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t三、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間三、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間qBmqBmTt222四、帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)情況研究四、帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)情況研究 1、找圓心：方法、找圓心：方法 2、定半徑：、定半徑： 3、確定運(yùn)動(dòng)時(shí)間：、確定運(yùn)動(dòng)時(shí)間：Tt2qBmT2注意：用弧度表示用弧度表示幾何法求半

11、徑幾何法求半徑向心力公式求半徑向心力公式求半徑利用利用vR利用弦的中垂線利用弦的中垂線確定帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡的方法確定帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡的方法1 1、物理方法：、物理方法：作出帶電粒子在磁場(chǎng)中兩個(gè)位置所受洛侖茲力，沿其方向作出帶電粒子在磁場(chǎng)中兩個(gè)位置所受洛侖茲力，沿其方向延長(zhǎng)線的交點(diǎn)確定圓心，從而確定其運(yùn)動(dòng)軌跡。延長(zhǎng)線的交點(diǎn)確定圓心，從而確定其運(yùn)動(dòng)軌跡。2 2、物理和幾何方法：、物理和幾何方法：作出帶電粒子在磁場(chǎng)中某個(gè)位置所受洛侖茲力，沿其方向的作出帶電粒子在磁場(chǎng)中某個(gè)位置所受洛侖茲力，沿其方向的延長(zhǎng)線與圓周上兩點(diǎn)連線的中垂線的交點(diǎn)確定圓心，從而確延長(zhǎng)線與圓周上兩點(diǎn)連線的中垂線的交

12、點(diǎn)確定圓心，從而確定其運(yùn)動(dòng)軌跡。定其運(yùn)動(dòng)軌跡。3 3、幾何方法：、幾何方法：圓周上任意兩點(diǎn)連線的中垂線過(guò)圓心圓周上任意兩點(diǎn)連線的中垂線過(guò)圓心圓周上兩條切線夾角的平分線過(guò)圓心圓周上兩條切線夾角的平分線過(guò)圓心過(guò)切點(diǎn)作切線的垂線過(guò)圓心過(guò)切點(diǎn)作切線的垂線過(guò)圓心 如圖，虛線上方存在無(wú)窮大的磁場(chǎng)，一帶正電的粒子質(zhì)如圖，虛線上方存在無(wú)窮大的磁場(chǎng)，一帶正電的粒子質(zhì)量量m m、電量、電量q q、若它以速度、若它以速度v v沿與虛線成沿與虛線成30300 0、90900 0、1501500 0、1801800 0角分別射入，請(qǐng)你作出上述幾種情況下粒子的軌跡、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

13、場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。并求其在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。例：有界磁場(chǎng)中粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的確定入射角入射角300時(shí)時(shí)qBmqBmt3261入射角入射角1500時(shí)時(shí)qBmqBmt35265粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱規(guī)律：粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱規(guī)律：從同一直線邊界射入的粒子，從同一邊界射出時(shí)，從同一直線邊界射入的粒子，從同一邊界射出時(shí)，速度與邊界的夾角相等。速度與邊界的夾角相等。1 1、兩個(gè)對(duì)稱規(guī)律：、兩個(gè)對(duì)稱規(guī)律：五、臨界問(wèn)題五、臨界問(wèn)題例：長(zhǎng)為例：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，磁感強(qiáng)度為示，磁感強(qiáng)度為B，板間距離也為，板間距離也為L(zhǎng)，板不帶電，現(xiàn)有質(zhì)量為，板不帶電