帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)

帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)第1頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月古往今來，人們一直在思考、探索：世界萬物究竟是由什么構(gòu)成的？它有最小的基本結(jié)構(gòu)嗎？面對(duì)微觀世界的“基本”粒子，人類不斷思考：有沒有辦法使帶電粒子獲得高能量，然后去轟擊原子核，通過觀察它們的變化來探索物質(zhì)的微觀世界？“要做更多的儀器，還要更多地測(cè)量。”——阿斯頓課堂引入第2頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月了解阿斯頓阿斯頓（FrancisWi11iamAston）是英國物理學(xué)家，擅長實(shí)驗(yàn)，知識(shí)淵博，自英國伯明翰大學(xué)畢業(yè)后，就到著名的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室當(dāng)了湯姆遜的助手。他長期從事同位素和質(zhì)譜的研究。他首次制成了聚焦性能較高的質(zhì)譜儀，并用此來對(duì)許多元素的同位素及其豐度進(jìn)行測(cè)量，從而肯定了同位素的普遍存在。同時(shí)根據(jù)對(duì)同位素的研究，他還提出了元素質(zhì)量的整數(shù)法則。因此他榮獲了1922年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1945年11月20日，阿斯頓在劍橋大學(xué)因病逝世，終年68歲。他制作和發(fā)明的許多儀器都妥善地保存在倫敦博物館和卡文迪許實(shí)驗(yàn)室博物館內(nèi)。第3頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.6帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)第4頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月介紹球形電子射線管第5頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月球形電子射線管實(shí)驗(yàn)第6頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律F洛1、若帶電粒子運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向平行(v∥B)，則粒子不受洛倫茲力的作用，粒子作勻速直線運(yùn)動(dòng)；Bv2、若帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向互相垂直(v⊥B)，則粒子在洛倫茲力作用下，將作勻速圓周運(yùn)動(dòng)第7頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月勻強(qiáng)磁場(chǎng)中帶電粒子的勻速圓周運(yùn)動(dòng)1、向心力由洛侖茲力提供2、軌道半徑公式3、周期周期與運(yùn)動(dòng)速率無關(guān)，僅由粒子本身及磁場(chǎng)決定。角速度第8頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月帶電粒子在氣泡室中的徑跡第9頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)譜儀1、電場(chǎng)中加速2、磁場(chǎng)中的勻速圓周運(yùn)動(dòng)：所測(cè)粒子的荷質(zhì)比：第10頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1、質(zhì)譜線：容器A中含有電荷量相同而質(zhì)量不同的粒子，進(jìn)入磁場(chǎng)后將做不同半徑的圓周運(yùn)動(dòng)，打到照相底片D的不同地方，形成譜線狀的細(xì)條。2、質(zhì)譜儀：每一條譜線對(duì)應(yīng)一定的質(zhì)量，從譜線位置可測(cè)知半徑，若已知粒子的帶電量q，就可求出粒子的質(zhì)量m。3、利用質(zhì)譜儀對(duì)某種元素進(jìn)行測(cè)量，可以準(zhǔn)確地測(cè)出各種同位素的原子量。鍺4、質(zhì)譜儀是測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具。質(zhì)譜儀最初是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計(jì)的，他用質(zhì)譜儀首先得到了氖-20和氖-22的質(zhì)譜線，證實(shí)了同位素的存在。質(zhì)譜儀第11頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月早期的直線加速器2、特點(diǎn)：①高壓電源②粒子獲得最高能量可達(dá)10MevUEK=mv2/2=qU1、原理：利用電場(chǎng)加速帶電粒子第12頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月直線加速器加速原理：由動(dòng)能定理得，帶電粒子經(jīng)n級(jí)的電場(chǎng)加速后，增加的動(dòng)能為：——通過多級(jí)加速獲得高能粒子第13頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月多級(jí)直線加速器應(yīng)具備的條件：為了保證帶電粒子一直加速，應(yīng)采用交變電源提供加速電壓，且在加速電場(chǎng)以外的區(qū)域需靜電屏蔽，同時(shí)還要求電場(chǎng)交替變化的周期與帶電粒子運(yùn)動(dòng)的變化周期同步。筒間加速筒內(nèi)靜電屏蔽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。？直線加速器第14頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月直線加速器第15頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月回旋加速器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(jí)加速。第16頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月了解勞倫斯勞倫斯(ErnestOrlandoRawrence)是美國著名物理學(xué)家、回旋加速器的發(fā)明者，1901年8月8日出生于美國達(dá)科他州南部的坎頓，是一個(gè)教書世家，其祖父及父母都是教師，他年僅30歲就聞名于全世界。1930年，勞倫斯受聘于伯克利加利福尼亞大學(xué)擔(dān)任物理學(xué)教授。為了研究核物理，勞倫斯提出一種使粒子作曲線運(yùn)動(dòng)并同時(shí)加速的方案。因人工放射性方面的成果于1939年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1940年，勞倫斯成為麻省理工學(xué)院內(nèi)的另一輻射實(shí)驗(yàn)室的美國物理學(xué)家之一。在他的實(shí)驗(yàn)室中工作過的人，有八人獲諾貝爾獎(jiǎng)的殊榮，其中四人是勞倫斯的徒弟或低級(jí)合作者，另外四人則是以別的方式同“輻射實(shí)驗(yàn)室”有聯(lián)系的。第17頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月回旋加速器的原理第18頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月

原理：利用電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的加速作用和磁場(chǎng)對(duì)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。回旋加速器的原理第19頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1、磁場(chǎng)的作用：帶電粒子以某一速度垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng)方向進(jìn)入電場(chǎng)中加速。2、電場(chǎng)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(duì)截面的勻強(qiáng)電場(chǎng)，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時(shí)被加速．3、交變電壓的作用：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?；匦铀倨鞯脑淼?0頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月帶電粒子在回旋加速器中獲得的最終能量：當(dāng)帶電粒子的速度最大時(shí)，其運(yùn)動(dòng)半徑也最大，若D形盒的半徑為R，由R=mv/qB及EK=mv2/2可得帶電粒子的最終動(dòng)能為：由此可得：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。

回旋加速器的原理第21頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1、帶電粒子在兩D形盒中回旋每經(jīng)過一個(gè)周期，被電場(chǎng)加速二次2、帶電粒子每經(jīng)電場(chǎng)加速一次，回旋半徑就增大一次，

每次增加的動(dòng)能為EK=qU

3、對(duì)于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半徑是相同的，故有所有各次半徑之比為：故在D形盒中加速的時(shí)間為t=nT回旋加速器的原理第22頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月回旋加速器的出現(xiàn)，使人類在獲得具有較高能量的粒子的方面前進(jìn)了一大步，了解其它類型的加速器：直線加速器、同步加速器、電子感應(yīng)加速器、串列加速器、電子對(duì)撞機(jī)等。粒子加速器第23頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室環(huán)形加速器——美國伊利諾依州第24頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月——同步加速器法國東南部格勒諾布爾第25頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月粒子加速器第26頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月粒子加速器第27頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)第28頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)部分原理圖第29頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓高低有關(guān)嗎？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)減少；反之，加速電壓越低，粒子在D形盒中回旋的次數(shù)增多，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。思考與討論第30頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1、關(guān)于回旋加速器中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用的敘述，正確的是()A、電場(chǎng)和磁場(chǎng)都對(duì)帶電粒子起加速作用B、電場(chǎng)和磁場(chǎng)是交替地對(duì)帶電粒子做功的C、只有電場(chǎng)能對(duì)帶電粒子起加速作用D、磁場(chǎng)的作用是使帶電粒子在D形盒中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)CD課堂練習(xí)第31頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月課堂練習(xí)C2、兩個(gè)粒子帶電量相等，在同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中只受磁場(chǎng)力而做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則()A、若速率相等，則半徑相等B、若速率相等，則周期相等C、若質(zhì)量和速度大小的乘積相等，則半徑相等D、若動(dòng)能相等，則周期相等第32頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月3、傾角θ的光滑斜面處于垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，一滑塊質(zhì)量為m，帶電量為-q，從斜面上靜止開始下滑，求滑塊能在斜面上滑動(dòng)時(shí)間t為多少？-qmmgF洛課堂練習(xí)FN第33頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月4、長為l的水平極板間，有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，如圖所示，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，板間距離也為l，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），從左邊極板中點(diǎn)處垂直磁感線以速度水平射入磁場(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

B、使粒子的速度C、使粒子的速度

D、使粒子的速度

ABO1R1××××××××××××BO2R2課堂練習(xí)第34頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月5、如圖所示，在x軸上方有勻強(qiáng)磁場(chǎng)B，一個(gè)質(zhì)量為m，帶電量為-q的的粒子，以速度v從O點(diǎn)射入磁場(chǎng)，角已知，粒子重力不計(jì)，求(1)粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間.(2)粒子離開磁場(chǎng)的位置.課堂練習(xí)第35頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月6、一帶電量為3×10－8C的粒子垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.8T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，它從a點(diǎn)到b點(diǎn)需2×10－4s，從b點(diǎn)到a點(diǎn)需10－3s，ab相距0.3m，若粒子速度為10m/s，則該粒子的質(zhì)量大小為多少？60°abO課堂練習(xí)7.2×10-10kg第36頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月7、已個(gè)絕緣的光滑半圓形軌道，半徑為R，豎直放置在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向與軌道平面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，軌道兩端在同一水平面上，如圖所示，如果一個(gè)質(zhì)量為m，帶電量為+q的小球，從左端點(diǎn)靜止開始滑下，小球運(yùn)動(dòng)過程中始終與軌道接觸，求小球運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)對(duì)軌道壓力FN的大小?課堂練習(xí)洛倫茲力不做功！第37頁，課件共38頁，創(chuàng)作于20