第6節(jié)《帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(1)》課時1課件

第三章磁場第六節(jié)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動（第一課時）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。一、帶電粒子的分類3.某些帶電體是否考慮重力，要根據(jù)題目暗示或運(yùn)動狀態(tài)來判定。（1）v⊥B

時，洛倫茲力的方向與速度方向有何關(guān)系？1.帶電粒子平行射入勻強(qiáng)磁場，運(yùn)動狀態(tài)如何？（重力不計）2.帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場，運(yùn)動狀態(tài)如何？（重力不計）做勻速直線運(yùn)動-vF洛v-F洛v-F洛v-F洛（2）帶電粒子僅在洛倫茲力的作用下，粒子的速率變化么？能量呢？（4）從上面的分析，你認(rèn)為垂直于勻強(qiáng)磁場方向射入的帶電粒子，在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動狀態(tài)如何？洛倫茲力對電荷只起向心力的作用，故只在洛倫茲力的作用下，電荷將做勻速圓周運(yùn)動。帶電粒子在磁場中運(yùn)動時，它所受的洛倫茲力總與速度方向垂直，不改變帶電粒子的速度大小，只改變速度方向。二、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動情況1.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。洛倫茲力演示儀亥姆霍茲線圈電子槍觀看視頻演示3.實驗結(jié)論：帶電粒子垂直進(jìn)入磁場中，粒子在垂直磁場方向的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動，此洛倫茲力不做功。2.實驗現(xiàn)象：在暗室中可以清楚地看到，在沒有磁場作用時，電子的徑跡是直線；在管外加上勻強(qiáng)磁場，電子的徑跡變彎曲成圓形。運(yùn)動電荷在磁場中受到洛倫茲力的作用，運(yùn)動方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這一點對于地球上的生命來說有十分重要的意義。從太陽或其他星體上，時刻都有大量的高能粒子流放出，稱為宇宙射線，這些高能粒子流，如果都到達(dá)地球，將對地球上的生物帶來危害。慶幸的是，地球周圍存在地磁場，地磁場改變宇宙射線中帶電粒子的運(yùn)動方向，對宇宙射線起了一定的阻擋作用，形成了美麗的極光。例1.如圖，有一質(zhì)量為

m，電荷量為q

的帶電粒子（不計重力），以速度v

垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B

的勻強(qiáng)磁場中，試求該粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動的圓半徑r

和運(yùn)動周期T

。三、帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動的物理量FqBv粒子做勻速圓周運(yùn)動所需的向心力是由粒子所受的洛倫茲力提供的，所以：推導(dǎo):1.軌道半徑和粒子的運(yùn)動速率成正比。2.帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動的周期和運(yùn)動速率無關(guān)。說明:例1.已知氫核與氦核的質(zhì)量之比m1∶m2＝1∶4，電荷量之比q1∶q2＝1∶2，當(dāng)氫核與氦核以v1∶v2＝4∶1的速度，垂直磁場方向射入磁場后，分別做勻速圓周運(yùn)動，則氫核與氦核的半徑之比r1∶r2＝________，周期之比T1∶T2＝________。1∶22∶12.如圖所示，虛線圓所圍區(qū)域內(nèi)有方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。一束電子沿圓形區(qū)域的直徑方向以速度v射入磁場，電子束經(jīng)過磁場區(qū)后，其運(yùn)動方向與原入射方向成θ角。設(shè)電子質(zhì)量為m，電荷量為e，不計電子之間相互作用力及所受的重力。求：(1)電子在磁場中運(yùn)動軌跡的半徑R；(2)電子在磁場中運(yùn)動的時間t；(3)圓形磁場區(qū)域的半徑r。

四、帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動的應(yīng)用一、質(zhì)譜儀世界上第一臺質(zhì)譜分析器—磁式質(zhì)譜儀現(xiàn)代質(zhì)譜儀1.用途：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例2.如圖所示，一個質(zhì)量m，電荷量q的帶電粒子，從容器A

下方小孔S1飄入電勢差為U

的加速電場，其初速度近似為0，然后經(jīng)過S3間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）粒子進(jìn)入磁場時的速率v；（1）粒子在磁場中運(yùn)動的軌道半徑r。解:(1)在S1、S2間，電場對粒子做功，由動能定理得：(2)粒子垂直進(jìn)入磁場，洛倫茲力提供向心力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：二、加速器（一）直線加速器+––––+++U1U2P6U3UnP2P4P3P1P5一級n級二級三級粒子在每個加速電場中的運(yùn)動時間相等，因為交變電壓的變化周期相同。

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。由動能定理得帶電粒子經(jīng)n

極的電場加速后增加的動能為：（二）回旋加速器1932年，加利福尼亞大學(xué)的勞倫斯（1939年獲得諾貝爾物理獎）提出了一個卓越的思想，通過磁場的作用迫使帶電粒子沿著磁極之間做螺旋線運(yùn)動，把長長的電極像卷尺那樣卷起來，發(fā)明了回旋加速器，第一臺直徑為27cm的回旋回速器投入運(yùn)行，它能將質(zhì)子加速到1Mev。歐內(nèi)斯特·奧蘭多·勞倫斯（ErnestOrlandoLawrence，1901～1958)1Mev

=106eV回旋加速器的原理兩D形盒中有勻強(qiáng)磁場無電場，盒間縫隙有交變電場。電場使粒子加速，磁場使粒子回旋。粒子回旋的周期不隨半徑改變。讓電場方向變化的周期與粒子回旋的周期一致，從而保證粒子始終被加速。通過觀看動畫，了解回旋加速器的工作原理帶電粒子的最終能量當(dāng)帶電粒子的速度最大時，其運(yùn)動半徑也最大，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。

加速電壓越高，帶電粒子每次加速的動能增量越大，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)，并不影響引出時的速度和相應(yīng)的動能，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)。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)？例3.關(guān)于回旋加速器的工作原理，下列說法正確的是（）

A.電場用來加速帶電粒子，磁場則使帶電粒子回旋

B.電場和磁場同時用來加速帶電粒子

C.同一加速器，對某種確定的粒子，它獲得的最大動能由加速電壓決定

D.同一加速器，對某種確定的粒子，它獲得的最大動能由磁感應(yīng)強(qiáng)度B

和加速電壓決定A應(yīng)用回旋加速器帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動勻速直線運(yùn)動(v//B)勻速圓周運(yùn)動(v⊥B)規(guī)律質(zhì)譜儀1.質(zhì)譜儀是一種測定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具，它的構(gòu)造原理如圖，離子源S

產(chǎn)生的各種不同正離子束(速度可看作為零)，經(jīng)加速電場加速后垂直進(jìn)入有界勻強(qiáng)磁場，到達(dá)記錄它的照相底片P上，設(shè)離子在P

上的位置到入口處S1的距離為x，可以判斷()A.若離子束是同位素，則x

越大，離子質(zhì)量越大B.若離子束是同位素，則x

越大，離子質(zhì)量越小C.只要

x相同，則離子質(zhì)量一定相同D.只要

x相同，則離子的比荷一定相同······