帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)公開課

關(guān)于帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)公開課第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三知識(shí)回顧、帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的運(yùn)動(dòng)勻加速直線運(yùn)動(dòng)類平拋運(yùn)動(dòng)受力分析——運(yùn)動(dòng)第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三一、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)勻速直線運(yùn)動(dòng)?猜想：可能是圓周運(yùn)動(dòng)！第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三二、帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑勻強(qiáng)磁場中帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑與哪些因素有關(guān)？思路:帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力。可見r與速度V、磁感應(yīng)強(qiáng)度B、粒子的比荷有關(guān)第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三三、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)周期帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)周期有何特征？可見同一個(gè)粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期與速度無關(guān)第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三-e2v................BT=2πm/eB例

2、勻強(qiáng)磁場中，有兩個(gè)電子分別以速率v和2v沿垂直于磁場方向運(yùn)動(dòng)，哪個(gè)電子先回到原來的出發(fā)點(diǎn)？兩個(gè)電子同時(shí)回到原來的出發(fā)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)周期和電子的速率無關(guān)軌道半徑與粒子射入的速度成正比v-e兩個(gè)電子軌道半徑如何？第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三勵(lì)磁線圈電子槍磁場強(qiáng)弱選擇擋加速電壓選擇擋（二）實(shí)驗(yàn)論證：洛倫茲力演示器第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三演示實(shí)驗(yàn)：1、不加磁場時(shí)，觀察電子束的軌跡；2、給線圈通電，觀察電子束的軌跡；勻速直線運(yùn)動(dòng)勻速圓周運(yùn)動(dòng)3、保持初射速度V不變，改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小，觀察電子束的軌跡變化；4、保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，改變初射速度V的大小，觀察電子束的軌跡變化。B越大、R越小V越大、R越大第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)：勻速直線運(yùn)動(dòng)思考：勻速圓周運(yùn)動(dòng)粒子運(yùn)動(dòng)方向與磁場有一夾角（大于0度小于90度）軌跡為螺線第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三例1：一個(gè)帶電粒子，沿垂直于磁場的方向射入一勻強(qiáng)磁場．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弧．由于帶電粒子使沿途的空氣電離，粒子的能量逐漸減小(帶電量不變)．從圖中情況可以確定A．粒子從a到b，帶正電B．粒子從a到b，帶負(fù)電C．粒子從b到a，帶正電D．粒子從b到a，帶負(fù)電C第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三通過氣泡室顯示的帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)徑跡第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三導(dǎo)學(xué)案：問題4質(zhì)譜儀如圖所示，一質(zhì)量為m，電荷量為q的粒子從容器A下方小孔S1飄入電勢(shì)差為U的加速電場，然后讓粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，最后打到底片D上.(1)粒子在S1區(qū)做什么運(yùn)動(dòng)?(2)在S2區(qū)做何種運(yùn)動(dòng)，在S3區(qū)將做何種運(yùn)動(dòng)?(3)粒子進(jìn)入磁場時(shí)的速率？(4)粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑？第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三可見半徑不同意味著比荷不同，意味著它們是不同的粒子這就是質(zhì)譜儀的工作原理第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三四、應(yīng)用舉例阿斯頓（湯姆生的學(xué)生）質(zhì)譜儀第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三一、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、工作原理將質(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，由于粒子質(zhì)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第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三質(zhì)譜儀的兩種裝置⑴帶電粒子質(zhì)量m,電荷量q,由電壓U加速后垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場,設(shè)軌道半徑為r,則有：NUOMB可得⑵帶電粒子質(zhì)量m,電荷量q,以速度v穿過速度選擇器(電場強(qiáng)度E，磁感應(yīng)強(qiáng)度B1),垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2的勻強(qiáng)磁場.設(shè)軌道半徑為r,則有：MB2EB1NqE=qvB1可得：均可測定荷質(zhì)比第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)回旋加速器第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三世界上最大、能量最高的粒子加速器——?dú)W洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三世界最大對(duì)撞機(jī)啟動(dòng)模擬宇宙大爆炸中國參與研究

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在深入地底100米、長達(dá)27公里的環(huán)型隧道內(nèi)進(jìn)行。

在瑞士和法國邊界地區(qū)的地底實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，科學(xué)家們正式展開了被外界形容為“末日實(shí)驗(yàn)”的備受爭議的計(jì)劃。他們啟動(dòng)了全球最大型的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)，把粒子運(yùn)行速度加快至接近光速，并將互相撞擊，模擬宇宙初開“大爆炸”后的情況?？茖W(xué)家希望借這次實(shí)驗(yàn)，有助解開宇宙間部分謎團(tuán)。但有人擔(dān)心，這次實(shí)驗(yàn)或會(huì)制造小型黑洞吞噬地球，令末日論流言四起。第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三一、直線加速器1.單極加速器帶電粒子初速度為0，將其加速到具有30MeV能量，需要多大的電壓？+U+-q高壓第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三2.多級(jí)直線加速器優(yōu)點(diǎn)：各級(jí)電壓獨(dú)立，低壓分級(jí)加速缺點(diǎn)：級(jí)數(shù)太多，占用空間太大如何解決？第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三斯坦福直線加速器中心鳥瞰圖1962年斯坦福直線加速器中心成立后，開始建造2英里長的直線加速器和實(shí)驗(yàn)區(qū)第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三利用磁場讓粒子做圓周運(yùn)動(dòng)！第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三二、回旋加速器以正粒子為例+-V1V1V2V2V3+-+-+-第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三1.結(jié)構(gòu)第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三2.工作原理以正粒子為例+-V1V1V2V2V3+-+-+-第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三例題

回旋加速器D形盒的半徑為r，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，一個(gè)質(zhì)量為m，電荷量為q的粒子在加速電壓為U的加速器的中央從速度為零開始加速，根據(jù)回旋加速器的這些數(shù)據(jù)計(jì)算：（1）交流電源的周期是？所加交變電壓的頻率。（2）該粒子獲得的最大速度，及最大動(dòng)能。（3）運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間(不計(jì)粒子在間隙中間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間)。D形盒的半徑越大，粒子所能獲得的速度越大第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三警示：對(duì)回旋加速器要切記以下三點(diǎn)：

①加速電場的周期必須等于回旋周期．

③粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最大半徑等于D形盒半徑．

③在粒子質(zhì)量、電量確定的情況下，粒子所能達(dá)到的最大動(dòng)能只與加速的半徑R和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，與加速電壓U無關(guān)．

想一想：有些同學(xué)認(rèn)為“加速電壓U越大，每次加速時(shí)粒子獲得的動(dòng)能越大，最后粒子飛出D形盒時(shí)的動(dòng)能也越大．這種觀點(diǎn)對(duì)嗎?說說你的觀點(diǎn)．第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)：撞出物質(zhì)奧秘

大科學(xué)裝置的存在和應(yīng)用水平，是一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的具象。它如同一塊巨大的磁鐵，能夠集聚智慧，構(gòu)成一個(gè)多學(xué)科陣地。作為典型的大科學(xué)裝置，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的重大改造工程就是要再添磁力。

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)在我國大科學(xué)裝置工程中赫赫有名，為示范之作。1988年10月16日凌晨實(shí)現(xiàn)第一次對(duì)撞時(shí)，曾被形容為“我國繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后，在高科技領(lǐng)域又一重大突破性成就”。北京正負(fù)對(duì)撞機(jī)重大改造工程的實(shí)施，將讓這一大科學(xué)裝置“升級(jí)換代”，繼續(xù)立在國際高能物理的前端。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程完工后，將成為世界上最先進(jìn)的雙環(huán)對(duì)撞機(jī)之一。第29頁，共32頁，2023年，2月20日，星期三課堂小結(jié)：一、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律質(zhì)譜儀1、v∥B時(shí)，勻速直線運(yùn)動(dòng)2、v⊥B時(shí)，勻速圓周運(yùn)動(dòng)洛倫茲力提供向心力四、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用半徑：周期：（與R，V無關(guān)）二、三、第30頁，共32頁，2023年，2月20日，星期