高中二年級物理必修2第一課時課件3.6帶電粒子在勻強磁場中的運動.ppt

課堂引入 洛倫茲力的方向 F洛 v F洛 B 洛倫茲力的大小 v B F洛 0 上節(jié)課 我們了解了磁場對運動電荷的作用力 洛倫茲力 磁場對電流的作用力安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn) 即F洛 vB平面 v B F洛 qvB 洛倫茲力的特點 永遠(yuǎn)不做功 那么在這樣特殊的力的作用下 帶電粒子在磁場中將形成什么樣的運動規(guī)律呢 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 還要更多地測量 阿斯頓 課堂引入 了解阿斯頓 3 6帶電粒子在勻強磁場中的運動 介紹球形電子射線管 球形電子射線管實驗 帶電粒子在磁場中的運動規(guī)律 1 若帶電粒子運動方向與磁場方向平行 v B 則粒子不受洛倫茲力的作用 粒子作勻速直線運動 2 若帶電粒子的運動方向與磁場方向互相垂直 v B 則粒子在洛倫茲力作用下 將作勻速圓周運動 勻強磁場中帶電粒子的勻速圓周運動 1 向心力由洛侖茲力提供 2 軌道半徑公式 3 周期 周期與運動速率無關(guān) 僅由粒子本身及磁場決定 角速度 帶電粒子在氣泡室中的徑跡 質(zhì)譜儀 1 電場中加速 2 磁場中的勻速圓周運動 所測粒子的荷質(zhì)比 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)入磁場后將做不同半徑的圓周運動 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 每一條譜線對應(yīng)一定的質(zhì)量 從譜線位置可測知半徑 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)譜儀對某種元素進(jìn)行測量 可以準(zhǔn)確地測出各種同位素的原子量 4 質(zhì)譜儀是測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具 質(zhì)譜儀 早期的直線加速器 2 特點 高壓電源 粒子獲得最高能量可達(dá)10Mev EK mv2 2 qU 1 原理 利用電場加速帶電粒子 直線加速器 加速原理 由動能定理得 帶電粒子經(jīng)n級的電場加速后 增加的動能為 通過多級加速獲得高能粒子 多級直線加速器應(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 且在加速電場以外的區(qū)域需靜電屏蔽 同時還要求電場交替變化的周期與帶電粒子運動的變化周期同步 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 直線加速器 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 實現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)進(jìn)行多級加速 了解勞倫斯 回旋加速器的原理 新聞 原理 利用電場對帶電粒子的加速作用和磁場對運動電荷的偏轉(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D形盒和其間的窄縫內(nèi)完成 回旋加速器的原理 1 磁場的作用 帶電粒子以某一速度垂直磁場方向進(jìn)入勻強磁場后 并在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動 其周期和速率 半徑均無關(guān) 帶電粒子每次進(jìn)入D形盒都運動相等的時間 半個周期 后平行電場方向進(jìn)入電場中加速 2 電場的作用 回旋加速器的兩個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形盒正對截面的勻強電場 帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時被加速 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形盒中運動周期相同的交變電壓 回旋加速器的原理 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 其運動半徑也最大 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)強度B和D形盒的半徑R 回旋加速器的原理 1 帶電粒子在兩D形盒中回旋每經(jīng)過一個周期 被電場加速二次 2 帶電粒子每經(jīng)電場加速一次 回旋半徑就增大一次 每次增加的動能為EK qU 3 對于同一回旋加速器 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形盒中加速的時間為 t nT 回旋加速器的原理 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 電子對撞機等 粒子加速器 費米實驗室環(huán)形加速器 美國伊利諾依州 同步加速器 法國東南部格勒諾布爾 粒子加速器 粒子加速器 北京正負(fù)電子對撞機 北京正負(fù)電子對撞機部分原理圖 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) 并不影響引出時的速度和相應(yīng)的動能 思考與討論 1 關(guān)于回旋加速器中電場和磁場的作用的敘述 正確的是 A 電場和磁場都對帶電粒子起加速作用B 電場和磁場是交替地對帶電粒子做功的C 只有電場能對帶電粒子起加速作用D 磁場的作用是使帶電粒子在D形盒中做勻速圓周運動 CD 課堂練習(xí) 課堂練習(xí) C 2 兩個粒子帶電量相等 在同一勻強磁場中只受磁場力而做勻速圓周運動 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 若動能相等 則周期相等 3 傾角 的光滑斜面處于垂直紙面向里的勻強磁場中 磁感應(yīng)強度為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時間t為多少 課堂練習(xí) 4 長為l的水平極板間 有垂直紙面向里的勻強磁場 如圖所示 磁感應(yīng)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 從左邊極板中點處垂直磁感線以速度水平射入磁場 欲使粒子不打在極板上 可采用的辦法是 A 使粒子的速度B 使粒子的速度C 使粒子的速度D 使粒子的速度 AB O1 R1 課堂練習(xí) 4 6 5 如圖所示 在x軸上方有勻強磁場B 一個質(zhì)量為m 帶電量為 q的的粒子 以速度v從O點射入磁場 角已知 粒子重力不計 求 1 粒子在磁場中的運動時間 2 粒子離開磁場的位置 課堂練習(xí) 6 一帶電量為3 10 8C的粒子垂直射入磁感應(yīng)強度B 0 8T的勻強磁場中 它從a點到b點需2 10 4s 從b點到a點需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 課堂練習(xí) 7 2 10 10kg 7 已個絕緣的光滑半圓形軌道 半徑為R 豎直放置在磁感應(yīng)強度為B 方向與軌道平面垂直的勻強磁場中 軌道兩端在同一水平面上 如圖所示 如果一個質(zhì)量為m 帶電量為 q的小球 從左端點靜止開始滑下 小球運動過程中始終與軌道接觸 求小球運動到最低點對軌道壓力FN的大小 課堂練習(xí) 洛倫茲力不做功 8 回旋加速器D形盒中央為質(zhì)子流 D形盒間的交變電壓為U 2 104V 靜止質(zhì)子經(jīng)電場加速后 進(jìn)入D形盒 其最大軌道半徑R 1m 磁場的磁感應(yīng)強度B 0 5T 質(zhì)子的質(zhì)量m 1 67 10 27kg 問 1 質(zhì)子經(jīng)回旋加速器最后得到的動能是多大 共加速了多少次 2 交變電源的頻率是多大 動能 1 92 10 12J次數(shù) 6 0 102頻率 7 6 106Hz 課堂練習(xí) 9 一個