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3.6帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)物理新人教版選修3-1ks5u精品課件3、某些帶電體是否考慮重力,要根據(jù)題目暗示或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來判定磁場中的帶電粒子一般可分為兩類:1、帶電的基本粒子:如電子,質(zhì)子,α粒子,正負(fù)離子等。這些粒子所受重力和洛侖磁力相比在小得多,除非有說明或明確的暗示以外,一般都不考慮重力。(但并不能忽略質(zhì)量)。2、帶電微粒:如帶電小球、液滴、塵埃等。除非有說明或明確的暗示以外,一般都考慮重力。ks5u精品課件洛倫茲力演示儀工作原理:由電子槍發(fā)出的電子射線可以使管的低壓水銀蒸汽發(fā)出輝光,顯示出電子的徑跡。兩個(gè)平行的通電環(huán)形線圈可產(chǎn)生沿軸線方向的勻強(qiáng)磁場ks5u精品課件亥姆霍茲線圈電子槍磁場強(qiáng)弱選擇擋加速電壓選擇擋洛倫茲力演示器ks5u精品課件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:一.帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)1、當(dāng)V∥B,勻速直線運(yùn)動(dòng)。2、?
當(dāng)帶電粒子q以速度v垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中,它將做什么運(yùn)動(dòng)?ks5u精品課件一.帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)
2.當(dāng)V⊥B,帶電粒子將在垂直于磁場的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。ks5u精品課件
速度大小不變,而方向隨時(shí)間變化。
周期T與運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)半徑無關(guān)。ks5u精品課件3.粒子運(yùn)動(dòng)方向與磁場有一夾角(大于0度小于90度)軌跡為螺線當(dāng)υ與B夾一般角度時(shí),由于可以將υ正交分解為υ∥和υ⊥(分別平行于和垂直于)B,因此電荷一方向以υ∥的速度在平行于B的方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng),另一方向以υ⊥的速度在垂直于B的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。
ks5u精品課件例題: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飄入電勢差為U的加速電場,然后經(jīng)過S3沿著與磁場垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中,最后打到照相底片D上求:(1)求粒子進(jìn)入磁場時(shí)的速率(2)求粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑ks5u精品課件二.質(zhì)譜儀原理分析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2.基本原理
將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒子經(jīng)同一電場加速再垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場,由于粒子動(dòng)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位素的種類3.推導(dǎo)ks5u精品課件1.加速原理:利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電粒子的動(dòng)能增加,qU=Ek.2.直線加速器,多級加速如圖所示是多級加速裝置的原理圖:三.加速器(一)、直線加速器ks5u精品課件
由動(dòng)能定理得帶電粒子經(jīng)n極的電場加速后增加的動(dòng)能為:
3.直線加速器占有的空間范圍大,在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制.ks5u精品課件(二)回旋加速器
1.1932年美國物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器,實(shí)現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)進(jìn)行多級加速.2.工作原理:利用電場對帶電粒子的加速作用和磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的偏轉(zhuǎn)作用來獲得高能粒子,這些過程在回旋加速器的核心部件——兩個(gè)D形盒和其間的窄縫內(nèi)完成。ks5u精品課件U(二)回旋加速器ks5u精品課件(1)磁場的作用:帶電粒子以某一速度垂直磁場方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場后,并在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng),其周期和速率、半徑均無關(guān),帶電粒子每次進(jìn)入D形盒都運(yùn)動(dòng)相等的時(shí)間(半個(gè)周期)后平行電場方向進(jìn)入電場中加速.(2)電場的作用:回旋加速器的兩個(gè)D形盒之間的窄縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩D形盒正對截面的勻強(qiáng)電場,帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時(shí)被加速.(3)交變電壓:為了保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫時(shí)都被加速,使之能量不斷提高,須在窄縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變電壓.ks5u精品課件(4)帶電粒子的最終能量
當(dāng)帶電粒子的速度最大時(shí),其運(yùn)動(dòng)半徑也最大,由r=mv/qB得v=rqB/m,若D形盒的半徑為R,則帶電粒子的最終動(dòng)能:
所以,要提高加速粒子的最終能量,應(yīng)盡可能增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B和D形盒的半徑R.ks5u精品課件
為什么帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無關(guān)?
解析:加速電壓越高,帶電粒子每次加速的動(dòng)能增量越大,回旋半徑也增加越多,導(dǎo)致帶電粒子在D形盒中的回旋次數(shù)越少;反之,加速電壓越低,粒子在D形盒中回旋的次數(shù)越多,可見加速電壓的高低只影響帶電粒子加速的總次數(shù),并不影響引出時(shí)的速度和相應(yīng)的動(dòng)能,由
可知,增強(qiáng)B和增大R可提高加速粒子的最終能量,與加速電壓高低無關(guān).ks5u精品課件小結(jié):
回旋加速器利用兩D形盒窄縫間的電場使帶電粒子加速,利用D形盒內(nèi)的磁場使帶電粒子偏轉(zhuǎn),帶電粒子所能獲得的最終能量與B和R有關(guān),與U無關(guān).ks5u精品課件
如果盡量增強(qiáng)回旋加速器的磁場或加大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ks5u精品課件本課總結(jié):一、帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)平行磁感線進(jìn)入:做勻速直線運(yùn)動(dòng)垂直磁感線進(jìn)入:做勻速圓周運(yùn)動(dòng)
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