《帶電粒子在勻強磁場中的運動》新人教版綜合自用版).ppt

第三章磁場,第六節(jié) 帶電粒子在勻強磁場中的運動,復習：,問題1：什么是洛倫茲力？,問題1：帶電粒子在磁場中是否一定受到洛倫茲力？,-磁場對運動電荷的作用力,-不一定，洛倫茲力的計算式 F洛=qVBsin,討論：,若帶電粒子（不計重力）以沿著與勻強磁場垂直的方向射入磁場，粒子將如何運動？,2、洛倫茲力的方向總是與速度方向垂直，洛倫茲力只會改變粒子速度的方向，不會改變其大小。,1、由于是勻強磁場，洛倫茲力大小保持不變,猜想與假設,討論：,若帶電粒子（不計重力）以沿著與勻強磁場垂直的方向射入磁場，粒子將如何運動？,2、洛倫茲力的方向總是與速度方向垂直，洛倫茲力只會改變粒子速度的方向，不會改變其大小。,1、由于是勻強磁場，洛倫茲力大小保持不變,3、該帶點粒子將會做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力。,洛倫茲力演示器,實驗：,勵磁線圈：作用是能在兩線圈之間產(chǎn)生平行于兩線圈中心的連線的勻強磁場,加速電場：作用是改變電子束出射的速度,無磁場,實驗驗證,有磁場,實驗現(xiàn)象：,1.不加磁場時電子的徑跡是直線; 2.加上勻強磁場時，電子的徑跡變彎曲成圓形； 3.磁場越強，徑跡的半徑越小； 4.電子的出射速度越大，徑跡的半徑越大。,一、帶電粒子運動軌跡,1、圓周運動的半徑,2、圓周運動的周期,總結：由1式可知，粒子速度越大，軌跡半徑 越大；磁場越強，軌跡半徑越小。 由2式可知，粒子運動的周期與粒子的速度大小無關，磁場越強，周期越短。,帶電粒子在氣泡室運動徑跡的照片,（1）不同帶電粒子的徑跡半徑為何不同？,（2）同一徑跡上為什么曲率半徑越來越?。?例1：一個帶電粒子，沿垂直于磁場的方向射入一勻強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，帶負電 C粒子從b到a，帶正電 D粒子從b到a，帶負電,例2、如圖所示，在垂直紙面向里的勻強磁場中，有a、b兩個電子從同一處沿垂直磁感線方向開始運動，a的初速度為v，b的初速度為2v則 Aa先回到出發(fā)點 Bb先回到出發(fā)點 Ca、b的軌跡是一對內(nèi)切圓，且b的半徑大 Da、b的軌跡是一對外切圓，且b的半徑大,例3、一帶電粒子在磁感強度為B的勻強磁場中做勻速圓周運動，如它又順利進入另一磁感強度為2B的勻強磁場中仍做勻速圓周運動，則 A、粒子的速率加倍，周期減半 B、粒子的速率不變，軌道半徑減半 C、粒子的速率減半，軌道半徑變?yōu)樵瓉淼?1/4 D、粒子速率不變，周期減半,例4： 一個質(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，其初速度幾乎為零，然后經(jīng)過S3沿著與磁場垂直的方向進入磁感應強度為B的勻強磁場中，最后打到照相底片D上。 （1）求粒子進入磁場時的速率。 （2）求粒子在磁場中運動的軌道半徑。,可見半徑不同意味著比荷不同，意味著它們是不同的粒子,應用：,質(zhì)譜儀,通過測出粒子圓周運動的半徑，計算粒子的比荷或質(zhì)量及分析同位素的儀器.,二、帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動時周期,帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動時周期有何特征？,可見同一個粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的周期與速度無關,回旋加速器就是根據(jù)這一特點設計的,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。,二.加速器,直線加速器,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,直線加速器,斯坦福大學的加速器,多級直線加速器有什么缺點？,直線加速器,利用加速電場對帶電粒子做正功,使帶電的粒子動能增加， 即 qU =Ek,直線加速器的多級加速：,教材圖3.6-5所示的是多級 加速裝置的原理圖，由動能定理可知，帶電粒子經(jīng)n級的電場加速后增加的動能，,Ek=q（U1+U2+U3+U4+Un）,直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。,加速原理：,2回旋加速器,1932年,美國物理學家勞侖斯發(fā)明了回旋加速器， 從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進了一大步為此，勞侖斯榮獲了諾貝爾物理學獎,回旋加速器,回旋加速器,1、作用：產(chǎn)生高速運動的粒子,2、原理,用磁場控制軌道、用電場進行加速,解： 當粒子從D形盒出口飛出時， 粒子的運動半徑=D形盒的半徑,回旋加速器,回旋加速器,問題6：D越大，EK越大，是不是只要D不斷增大， EK 就可以無限制增大呢?,回旋加速器,美國費米實驗室加速器,回旋加速器,兩D形盒中有勻強磁場無電場，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。,在磁場中做圓周運動,周期不變 每一個周期加速兩次 電場的周期與粒子在磁場中做圓周運動周期相同 電場一個周期中方向變化兩次 粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定 電場加速過程中,時間極短,可忽略,結論,7.粒子獲得的最大動能只與加速器的半徑R和磁感應強度B有關，與加速電壓U無關。,例3：關于回旋加速器的工作原理，下列說法正確的是：,例4：垂直紙面向外的勻強磁場僅限于寬度為d的條形區(qū)域內(nèi)，磁感應強度為B一個質(zhì)量為m、電量為q的粒子以一定的速度垂直于磁場邊界方向從點垂直飛入磁場區(qū)，如圖所示，當它飛離磁場區(qū)時，運動方向偏轉角試求粒子在磁場中運動的時間t,三、帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的時間,四、帶電粒子在磁場中運動情況研究,1、找圓心：方法 2、定半徑： 3、確定運動時間：,注意：用弧度表示,30,1.圓心在哪里? 2.軌跡半徑是多少?,思考,O,B,v,例3：,r=d/sin 30o =2d,r=mv/qB,t=（ 30o /360o）T= T/12,T=2 m/qB,T=2 r/v,小結：,r,t/T= 30o /360o,A,=30,v,qvB=mv2/r,t=T/12= m/6qB,3、偏轉角=圓心角,1、兩洛倫茲力的交點即圓心,2、偏轉角：初末速度的夾角。,4.穿透磁場的時間如何求？,3、圓心角 =?,f,f,如圖，虛線上方存在無窮大的磁場，一帶正電的粒子質(zhì)量m、電量q、若它以速度v沿與虛線成300、900、1500、1800角分別射入，請你作出上述幾種情況下粒子的軌跡、并求其在磁場中運動的時間。,例：有界磁場中粒子運動軌跡的確定,入射角300時,入射角1500時,粒子在磁場中做圓周運動的對稱規(guī)律： 從同一直線邊界射入的粒子，從同一邊界射出時，速度與邊界的夾角相等。,1、兩個對稱規(guī)律：,五、臨界問題,例：長為L的水平極板間，有垂直紙面向內(nèi)的勻強磁場，如圖所示，磁感強度為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（不計重力），從左邊極板間中點處垂直磁感線以速度v水平射入磁場，欲使粒子不打在極板上，可采用的辦法是： （ ） A使粒子的速度v5BqL/4m C使粒子的速度vBqL/m D使粒子速度BqL/4mv5BqL/4m,例題講解,北京正負電子對撞機：撞出物質(zhì)奧秘,大科學裝置的存在和應用水平，是一個國家科學技術發(fā)展的具象。它如同一塊巨大的磁鐵，能夠集聚智慧，構成一個多學科陣地。作為典型的大科學裝置，北京正負電子對撞機的重大改造工程就是要再添磁力。,北京正負電子對撞機在我國大科學裝置工程中赫赫有名，為示范之作。1988年10月16日凌晨實現(xiàn)第一次對撞時，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，在高科技領域又一重大突破性成就”。北京正負對撞機重大改造工程的實施，將讓這一大科學裝置“升級換代”，繼續(xù)立在國際高能物理的前端。 北京正負電子對撞機重大改造工程完工后，將成為世界上最先進的雙環(huán)對撞機之一。,世界上最大、能量最高的粒子加速器 歐洲大型強子對撞機,世界最大對撞機啟動模擬宇宙大爆炸 中國參與研究,這項實驗在深入地底100米、長達27公里的環(huán)型隧道內(nèi)進行。科學家預計，粒子互相撞擊時所產(chǎn)生的溫度，比太陽溫度還要高10萬倍，就好比137億年前宇宙發(fā)生大爆炸時那一