【已修改】-3.6-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)教學(xué)課件--新人教版選修3-1解析

1、6 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)一.帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 2、當(dāng)帶電粒子q以速度v垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，它將做什么運(yùn)動(dòng)? 帶電粒子將在垂直于磁場(chǎng)的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 。1、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：勵(lì)磁線圈電 子 槍磁場(chǎng)強(qiáng)弱選擇擋加速電壓選擇擋【實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證】不加磁場(chǎng)時(shí)觀察電子束的徑跡。給勵(lì)磁線圈通電，在玻璃泡中產(chǎn)生沿兩線圈中心連線向，由紙內(nèi)指向讀者的磁場(chǎng)，觀察電子束的徑跡。F理論分析沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入磁場(chǎng)的帶電粒子，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。復(fù)位【演示實(shí)驗(yàn)】1、保持磁感應(yīng)強(qiáng)度不變，改變出射電子的速度，觀察電子束徑跡的變化。2、保持出射電子的速度不

2、變，改變磁感應(yīng)強(qiáng)度，觀察電子束徑跡的變化。 通過(guò)威爾遜云室顯示的正負(fù)電子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)徑跡通過(guò)格雷塞爾氣泡室顯示的帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)徑跡 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓半徑，與粒子的速度、磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度有什么關(guān)系？思考與討論什么力提供帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力？向心力的計(jì)算公式是什么？1、速度特征： 2、半徑特征： 速度大小不變，而方向隨時(shí)間變化。 3、周期特征：周期T與運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)半徑無(wú)關(guān)。粒子運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)有一夾角（大于0度小于90度）軌跡為螺旋線 1.水平導(dǎo)線中有電流I通過(guò)，導(dǎo)線正下方的電子初速度的方向與電流I的方向相同，則電子將（ ） vabIA.沿路徑a運(yùn)

3、動(dòng),軌跡是圓B.沿路徑a運(yùn)動(dòng),軌跡半徑越來(lái)越大C.沿路徑a運(yùn)動(dòng),軌跡半徑越來(lái)越小D.沿路徑b運(yùn)動(dòng),軌跡半徑越來(lái)越小例與練B 2、有三種粒子，分別是質(zhì)子（）、氚核、（）和粒子（）束，如果它們以相同的速度沿垂直于磁場(chǎng)方向射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)（磁場(chǎng)方向垂直紙面向里），在下圖中，哪個(gè)圖正確地表示出這三束粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡？（）例與練C例題 一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子，從容器下方的小孔S1飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng)，其初速度幾乎為零，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)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打到照相底片D上。（1）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。質(zhì)譜儀：通過(guò)測(cè)出粒子圓周運(yùn)動(dòng)的

4、半徑，計(jì)算粒子的比荷或質(zhì)量及分析同位素的儀器.質(zhì)譜儀.+-速度選擇器照相底片質(zhì)譜儀的示意圖怎樣才能得到能量很高的粒子呢?（1）靜電力做功：Ek=qu 困難：技術(shù)上不能產(chǎn)生過(guò)高電壓（2）多級(jí)加速器 困難：加速設(shè)備長(zhǎng)回旋加速器：用磁場(chǎng)控制軌跡，用電場(chǎng)進(jìn)行加速加速電壓為：解決上述困難的一個(gè)途徑是把加速電場(chǎng)“卷起來(lái)”交變電壓金屬D形盒有什么作用？為什么不用陶瓷盒？思考：回旋加速器 1931年，加利福尼亞大學(xué)的勞 倫斯提出了一個(gè)卓越的思想，通 過(guò)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(lái)，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

5、速到1Mev。 1939年勞倫斯獲諾貝爾 物理獎(jiǎng)。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室環(huán)形加速器美國(guó)伊利諾斯州 練習(xí)：回旋加速器中磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，D形盒的直徑為d，用該回旋加速器加速質(zhì)量為m、電量為q的粒子，設(shè)粒子加速前的初速度為零。求：（1） 粒子的回轉(zhuǎn)周期是多大？（2）高頻電極的周期為多大？（3） 粒子的最大速度最大動(dòng)能各是多大？（4） 粒子在同一個(gè)D形盒中相鄰兩條軌道半徑之比粒子獲得最大速度粒子獲得最大動(dòng)能與加速電壓無(wú)關(guān)！如果盡量增強(qiáng)回旋加速器的磁場(chǎng)或加大D形盒半徑，我們是不是就可以使帶電粒子獲得任意高的能量嗎？思考與討論說(shuō)明：D形盒和盒間電場(chǎng)都應(yīng)該在真空中局限性：（1）D形盒半徑不能無(wú)限增大（2）受相對(duì)論

6、效應(yīng)制約，質(zhì)量隨速度而增大，周期T變化。被加速粒子的最大速度決定于什么？3、回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心的部分分別與高頻交流電極相連的兩個(gè)D形金屬盒。兩盒間的狹中形成的周期性變化的電場(chǎng)，使粒子在通過(guò)狹縫時(shí)都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示。要增大帶電粒子射出的動(dòng)能，則下列說(shuō)法中正確的是（ ）例與練A.增大勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓B.增大磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度BC.減少狹縫間的距離D.增大D形金屬盒的半徑BD在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng),周期不變每一個(gè)周期加速兩次電場(chǎng)的周期與粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)周期相同電場(chǎng)一個(gè)周期中方向變化兩次粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定電場(chǎng)加速過(guò)程中,

7、時(shí)間極短,可忽略結(jié)論.關(guān)于回旋加速器的工作原理，下列說(shuō)法正確的是：A、電場(chǎng)用來(lái)加速帶電粒子，磁場(chǎng)則使帶電粒子回旋B、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決定和加速電壓決定(A)帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)情況研究1、找圓心：方法2、定半徑：3、確定運(yùn)動(dòng)時(shí)間：注意：用弧度表示幾何法求半徑向心力公式求半徑利用vR利用弦的中垂線1確定圓心已知入射方向和出射方向時(shí)已知入射方向和出射點(diǎn)的位置時(shí)兩條弦的中垂線：帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中分別經(jīng)過(guò)O、A、B三點(diǎn)時(shí)，其圓心O在OA、OB的中垂線的交點(diǎn)上已

8、知入射點(diǎn)、入射方向和圓周的一條切線：過(guò)入射點(diǎn)A做v垂線AO，延長(zhǎng)v線與切線CD交于C點(diǎn)，做ACD的角平分線交AO于O點(diǎn)，O點(diǎn)即為圓心，求解臨界問(wèn)題常用到此法2求半徑由于已知條件的不同，求半徑有兩種方法：一、是已知物理量(q、m、B、v)利用半徑公式求半徑，再由圖形求其他幾何量；二、是已知其他幾何量利用數(shù)學(xué)知識(shí)求半徑，再由半徑公式求物理量 例：垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)僅限于寬度為d的條形區(qū)域內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B一個(gè)質(zhì)量為m、電量為q的粒子以一定的速度垂直于磁場(chǎng)邊界方向從點(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)角試求粒子的 運(yùn)動(dòng)速度v以及在磁場(chǎng)中 運(yùn)動(dòng)的時(shí)間tdBev1、如圖所示

9、，一束電子（電量為e)以速度V垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B、寬度為d的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，穿透磁場(chǎng)時(shí)的速度與電子原來(lái)的入射方向的夾角為300。求 : (1) 電子的質(zhì)量m=? (2) 電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t=? 練習(xí)1如圖，一束具有各種速率的帶正一個(gè)元電荷的兩種銅離子質(zhì)量分別為m1和m2 ,水平地經(jīng)小孔S進(jìn)入有互相垂直的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)的區(qū)域，其中磁場(chǎng)、電場(chǎng)方向如圖，只有那些路徑不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的離子才能通過(guò)另一小孔進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，此后兩種離子將沿不同路徑做圓周運(yùn)動(dòng),到達(dá)底片P時(shí)兩離子間距為d，求此d值。 已知：E=1.00 105V/m B=0.40T B=0.50T m1=63 1.66 10-27kg m

10、2=65 1.66 10-27kg,一、帶電粒子在無(wú)界勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)F洛=0勻速直線運(yùn)動(dòng)F洛=Bqv勻速圓周運(yùn)動(dòng)F洛=Bqv等距螺旋（090）V/BVBv與B成角在只有洛侖茲力的作用下第二課時(shí)二、帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)情況研究1、找圓心：方法2、定半徑：3、確定運(yùn)動(dòng)時(shí)間：注意：用弧度表示幾何法求半徑向心力公式求半徑利用vR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1、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，沿其方向延長(zhǎng)線的交點(diǎn)確定圓心，從而確定其運(yùn)動(dòng)軌跡。2、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

11、確定其運(yùn)動(dòng)軌跡。3、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) ABRvvO120C例: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)）1.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m、電量q、若它以速度v沿與

12、虛線成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。有界磁場(chǎng)問(wèn)題：入射角300時(shí)入射角1500時(shí)帶電粒子初速度指向圓形磁場(chǎng)的圓心，射出磁場(chǎng)時(shí)速度的反向延長(zhǎng)線也一定經(jīng)過(guò)圓心。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。兩個(gè)規(guī)律：臨界問(wèn)題例：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)，如圖所示，磁感強(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)處垂直磁感線以速度v水平射入磁場(chǎng)，欲使粒子不打在極板上，可采用的辦法是： （ ）A使粒子的速度v5Bq

13、L/4mC使粒子的速度vBqL/mD使粒子速度BqL/4mv5BqL/4m 例題講解練習(xí)、如圖所示，在半徑為r的圓形區(qū)域內(nèi)，有一個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)，一帶電粒子以速度v0從M點(diǎn)沿半徑方向射入磁場(chǎng)區(qū)，并由N點(diǎn)射出，O點(diǎn)為圓心，MON=120，求粒子在磁場(chǎng)區(qū)的偏轉(zhuǎn)半徑R及在磁場(chǎng)區(qū)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。（粒子重力不計(jì)） 練習(xí)：如圖所示，在y0的區(qū)域內(nèi)存在勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直于xy平面并指向紙面外，磁感強(qiáng)度為B.一帶正電的粒子以速度v0從O點(diǎn)射入磁場(chǎng)，入射方向在xy平面內(nèi)，與x軸正向的夾角為，若粒子射出磁場(chǎng)的位置與O點(diǎn)的距離為L(zhǎng)，求該粒子的電量和質(zhì)量之比. 在真空中，半徑為r=310-2m的圓形區(qū)域內(nèi)，有一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=0.2T