人教版选修【3-1】3.6-带电粒子在匀强磁场中的运动.ppt
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1、美国费米实验室的回旋加速器直径长达2km,请你探究分析回旋加速器直径为什么要这样大?,1下图是洛伦兹力演示仪,由图(a)、(b)可知:,(1)不加磁场时,观察到电子束的径迹是 (2)加上磁场时,电子束的径迹是,增加电子的速度,圆周半径 ,增加磁场的磁感应强度,圆周半径 2沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子,在匀强磁场中做 ,直线,减小,匀速圆周运动,增大,圆,3质谱仪最初是由汤姆生的学生设计的,他用质谱仪发现了 和.证实了同位素的存在4要认识原子核内部的情况,必须把核“打开”进行“观察”然而,原子核被强大的 约束,只有用 的粒子作为“炮弹”去轰击,才能把它“打开”产生这些高能“炮弹”的“工
2、厂”就是各种各样的,极高能,量,氖20,粒子加速器,阿斯顿,氖22,核力,(1)运动轨迹带电粒子(不计重力)以一定的速度v进入磁感应强度为B的匀强磁场时:当vB时,带电粒子将做匀速直线运动;当vB时,带电粒子将做匀速圆周运动,(2)轨道半径和周期由上式可知:带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期与粒子运动速率无关由上式可知:带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期与粒子运动速率无关,特别提醒:只有当带电粒子以垂直于磁场的方向射入匀强磁场中时,带电粒子才能做匀速圆周运动,两个条件缺一不可,质子和粒子以相同的动能垂直进入同一磁场,它们能分开吗?答案:能否分开应由半径是否相同来确定质子的电荷数是粒子的 ,
3、质量数是粒子的 ,由r ,可得rpr.可见若两者一起进入磁场偏转,在动能相等的条件下,其轨道是相同的,即分不开.,(1)质谱仪:用来分析各种元素的同位素并测量其质量及含量百分比的仪器,(2)构造:如下图所示,主要由以下几部分组成:带电粒子注射器加速电场(U)速度选择器(B1、E)偏转磁场(B2)照相底片,(1)原理:利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子磁场的作用:带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场时,只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,其中周期与速率和半径无关,使带电粒子每次进入D形盒中都能运动相等时间(半个周期)后,平行于电场方向进入电场中加速,交流电压
4、:为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速,使之能量不断提高,要在狭缝处加一个周期与T相同的交流电压(如图所示),特别提醒:回旋加速器中,磁场的作用是使带电粒子偏转,洛伦兹力不做功,对带电粒子起加速作用的是电场力,表面上看,带电粒子获得的最大动能应与加速电压有关其实由最大动能的表达式Ekm 知,Ekm与加速电压无关加速电压的大小只是影响了加速次数的多少要提高加速粒子的最终能量,应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R.,回旋加速器能使带电粒子无限加速吗?答案:当带电粒子的能量达到一定值后,其速度和光速就比较接近了据狭义相对论原理,粒子的质量随速度的增大而增大的现实已不容忽略(mm0/ ),因此粒
5、子在磁场中回旋一周所需的时间就变大了,导致电场变化频率与粒子运动的频率不同步,破坏了加速器的工作条件,无法进一步提高粒子速度为了得到高能粒子,人们考虑了上述问题后制成了各类新型加速器:同步加速器、电子感应加速器、直接加速器等它们可以把粒子能量加速到几千兆电子伏以上世界上最大的同步加速器能把质子加速到5.0105MeV.,(1)圆心的确定因为洛伦兹力指向圆心,根据F洛v,画出粒子运动轨迹中任意两点(一般是射入和射出磁场的两点)的F洛的方向,其延长线的交点即为圆心(2)半径的确定和计算半径的计算一般是利用几何知识,常用解三角形的方法(3)在磁场中运动时间的确定利用圆心角与弦切角的关系,或者是四边形
6、内角和等于360计算出圆心角的大小由公式 可求出运动时间,误区1:解决带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的基本思路是什么?点拨:“一画、二找、三确定”分步解决带电粒子在匀强磁场中的运动(一)画根据题意分析带电粒子在磁场中的受力情况,确定它在磁场中的运动轨迹是圆还是一段圆弧根据粒子入射、出射磁场的方向,粗略画出粒子在磁场中的运动轨迹,(二)找圆心在画出粒子在磁场中的运动轨迹的基础上,找出圆心的位置,圆心一定在与速度方向垂直的直线上,通常有两个方法:1已知入射方向和出射方向时,利用洛伦兹力的方向永远指向圆心的特点,只要找到圆周运动两个点上的洛伦兹力的方向,其延长线的交点必为圆心,如图(a)所示,2已知
7、入射方向和出射点的位置时,利用圆上弦的中垂线必过圆心的特点找圆心,通过入射点作入射方向的垂线,连接入射点和出射点,作其中垂线这两条垂线的交点就是偏转圆弧的圆心,如图(b)所示(三)确定半径、偏向角、时间1确定圆周运动的半径主要由三角形几何关系求出如图(a)所示,已知出射速度与水平方向的夹角,磁场的宽度为d,则有关系式,2确定带电粒子通过磁场的偏向角带电粒子射出磁场的速度方向与射入磁场的速度方向的夹角,即为偏向角,它等于入射点与出射点两条半径间的夹角(圆心角)由几何知识可知,它等于弦切角的2倍,即2t(如图(a)所示)3确定带电粒子通过磁场的时间确定偏向角后,很容易算出带电粒子通过磁场的时间,即
8、 ,其中为带电粒子在磁场中转过的圆心角或偏向角,例如图所示,一束电子(电荷量为e)以速度v垂直射入磁感应强度为B,宽度为d的匀强磁场中,穿过磁场时速度方向与电子原来入射方向的夹角是30,则电子的质量是_,穿过磁场的时间是_,解析:(1)画轨迹,找圆心电子在磁场中运动,只受洛伦兹力作用,故其轨迹是圆弧的一部分,又因为F洛v,故圆心在电子穿入和穿出磁场时两个洛伦兹力的交点上,即上图中的O点(2)定半径由几何知识知,弧AB的圆心角30,OB为半径,有三束粒子,分别是质子(p)、氚核(31H)和粒子束,如果它们以相同的速度沿垂直于磁场方向射入匀强磁场(磁场方向垂直纸面向里),在下图的四个图中,能正确表
9、示出这三粒子的运动轨迹的是(),解析:三束粒子以相同的速度沿垂直于磁场方向进入匀强磁场,因此粒子做匀速圆周运动,则 ,所以R 因此它们的半径大小之比为由此可判断出C答案正确点评:带电粒子运动的轨迹,由圆心和半径决定,如图,在一水平放置的平板MN的上方有匀强磁场,磁感应强度的大小为B,磁场方向垂直于纸面向里许多质量为m带电量为q的粒子,以相同的速率v沿位于纸面内的各个方向,由小孔O射入磁场区域不计重力,不计粒子间的相互影响下列图中阴影部分表示带电粒子可能经过的区域,其中R=.哪个图是正确的?(),答案:A解析:由于磁场存在于MN上方,故由左手定则知选A.,如图所示,虚线圆所围区域内有方向垂直纸面
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- 人教版 选修 3.6 带电 粒子 磁场 中的 运动
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