選修3-1課件：36帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)

1、人教版選修人教版選修3-1第三章第三章 磁磁 場(chǎng)場(chǎng) 第六節(jié)第六節(jié) 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)復(fù)習(xí)：復(fù)習(xí)：1、洛倫茲力產(chǎn)生的條件？、洛倫茲力產(chǎn)生的條件？2、洛倫茲力的大小和方向如何確定？、洛倫茲力的大小和方向如何確定？3、洛倫茲力有什么特點(diǎn)？、洛倫茲力有什么特點(diǎn)？射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的帶電粒子將做怎樣射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的帶電粒子將做怎樣的運(yùn)動(dòng)呢？的運(yùn)動(dòng)呢？思考：思考：一、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)一、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)帶電粒子平行射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？ （重力不計(jì)）問題問題1：?jiǎn)栴}問題2： 帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？ （重力不計(jì)）勻速直線運(yùn)動(dòng)勻速直線運(yùn)動(dòng)1、理論推導(dǎo)、理論推導(dǎo)v vB

2、B（1 1） 時(shí)時(shí) ，洛倫茲力的方向與速度方，洛倫茲力的方向與速度方向向（2 2）帶電粒子僅在洛倫茲力的作用下，）帶電粒子僅在洛倫茲力的作用下，粒子的速率變化么？能量呢？粒子的速率變化么？能量呢？（3 3）洛倫茲力如何變化？）洛倫茲力如何變化？（4 4）從上面的分析，你認(rèn)為垂直于勻強(qiáng)）從上面的分析，你認(rèn)為垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向射入的帶電粒子，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中磁場(chǎng)方向射入的帶電粒子，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何？的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何？垂直垂直理論推導(dǎo)理論推導(dǎo)沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入磁場(chǎng)的帶電沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入磁場(chǎng)的帶電粒子，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)粒子，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)問題問題3：推導(dǎo)粒子在勻

3、強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓半推導(dǎo)粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓半徑徑r r和運(yùn)動(dòng)周期和運(yùn)動(dòng)周期T T，與粒子的速度，與粒子的速度v v和磁場(chǎng)的強(qiáng)度和磁場(chǎng)的強(qiáng)度B B的關(guān)系表達(dá)式的關(guān)系表達(dá)式亥姆霍茲線圈亥姆霍茲線圈電電 子子 槍槍磁場(chǎng)強(qiáng)弱選擇擋磁場(chǎng)強(qiáng)弱選擇擋加速電壓加速電壓選擇擋選擇擋洛倫茲力演示器洛倫茲力演示器2、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（1）洛倫茲力演示儀）洛倫茲力演示儀勵(lì)磁線圈（亥姆霍茲線圈）：作用是勵(lì)磁線圈（亥姆霍茲線圈）：作用是能在兩線圈之間產(chǎn)生平行于兩線圈中心能在兩線圈之間產(chǎn)生平行于兩線圈中心的連線的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的連線的勻強(qiáng)磁場(chǎng)加速電場(chǎng)：作用是改變電子束出射的加速電場(chǎng)：作用是改變電子束出射

4、的速度速度電子槍：射出電子電子槍：射出電子（2）實(shí)驗(yàn)演示）實(shí)驗(yàn)演示a a、不加磁場(chǎng)時(shí)觀察電子束的徑跡、不加磁場(chǎng)時(shí)觀察電子束的徑跡b b、給勵(lì)磁線圈通電，觀察電子束的徑跡、給勵(lì)磁線圈通電，觀察電子束的徑跡c c、保持初射電子的速度不變，改變磁感應(yīng)強(qiáng)度，、保持初射電子的速度不變，改變磁感應(yīng)強(qiáng)度，觀察電子束徑跡的變化觀察電子束徑跡的變化d d、保持磁感應(yīng)強(qiáng)度不變，改變出射電子的速度，、保持磁感應(yīng)強(qiáng)度不變，改變出射電子的速度，觀察電子束徑跡的變化觀察電子束徑跡的變化一一. .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) 當(dāng)帶電粒子當(dāng)帶電粒子q q以速度以速度v v垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁

5、場(chǎng)中，它將做什么運(yùn)動(dòng)中，它將做什么運(yùn)動(dòng)? ? 帶電粒子將在垂直于磁場(chǎng)的平面帶電粒子將在垂直于磁場(chǎng)的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 。rvmBqv2Bqmvr 速度大小不變，而方向隨時(shí)間變化。速度大小不變，而方向隨時(shí)間變化。 BqmvrT22周期周期T T與運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)半徑無(wú)關(guān)。與運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)半徑無(wú)關(guān)。 通過(guò)威通過(guò)威爾遜云室顯爾遜云室顯示的正負(fù)電示的正負(fù)電子在勻強(qiáng)磁子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)徑跡徑跡 通過(guò)格通過(guò)格雷塞爾氣雷塞爾氣泡室顯示泡室顯示的帶電粒的帶電粒子在勻強(qiáng)子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)徑跡運(yùn)動(dòng)徑跡例題：一個(gè)質(zhì)量為例題：一個(gè)質(zhì)量為m m、電荷量為的粒子，從容器、電荷量為的粒

6、子，從容器下方的小孔下方的小孔S S1 1飄入電勢(shì)差為的加速電場(chǎng)，然后飄入電勢(shì)差為的加速電場(chǎng)，然后經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)S S3 3沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打到照相底片上求：的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打到照相底片上求：（）求粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率（）求粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率（）求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑（）求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀原理分析原理分析1 1、質(zhì)譜儀是測(cè)量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具、質(zhì)譜儀是測(cè)量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具2 2、基本原理、基本原理將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒子經(jīng)將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒子

7、經(jīng)同一電場(chǎng)加速再垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，由同一電場(chǎng)加速再垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，由于粒子動(dòng)量不同，引起軌跡半徑不同而分開，于粒子動(dòng)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進(jìn)而分析某元素中所含同位素的種類3、推導(dǎo)推導(dǎo)212qUmv加速：12mvRdqB偏轉(zhuǎn)：1122mURdBq1 1加速原理：利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正功加速原理：利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正功使帶電粒子的動(dòng)能增加，使帶電粒子的動(dòng)能增加，qU=qU= E Ek k2 2直線加速器，多級(jí)加速直線加速器，多級(jí)加速如圖所示是多級(jí)加速裝置的原理圖：如圖所示是多級(jí)加速裝置的原理圖：加速器加速器 由動(dòng)能定理得帶電粒子經(jīng)由動(dòng)能

8、定理得帶電粒子經(jīng)n n極的電場(chǎng)加速后極的電場(chǎng)加速后增加的動(dòng)能為：增加的動(dòng)能為：)(321nkUUUUqE 3 3直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間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范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制二、回旋加速器 1 119321932年美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速年美國(guó)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)加器，實(shí)現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)進(jìn)行多級(jí)加速速2 2工作原理：利用電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的加速作用工作原理：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(lái)獲得高能粒子，和磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的偏轉(zhuǎn)作用來(lái)獲

9、得高能粒子，這些過(guò)程在回旋加速器的核心部件這些過(guò)程在回旋加速器的核心部件兩個(gè)兩個(gè)D D形盒和其間的窄縫內(nèi)完成。形盒和其間的窄縫內(nèi)完成。 19311931年，加利福尼亞大學(xué)的勞倫斯斯提出了一個(gè)卓越的思年，加利福尼亞大學(xué)的勞倫斯斯提出了一個(gè)卓越的思想，通過(guò)磁場(chǎng)的作用迫使帶電粒子沿著磁極之間做螺旋線運(yùn)想，通過(guò)磁場(chǎng)的作用迫使帶電粒子沿著磁極之間做螺旋線運(yùn)動(dòng)動(dòng), ,把長(zhǎng)長(zhǎng)的電極像卷尺那樣卷起來(lái)，發(fā)明了回旋加速器，第把長(zhǎng)長(zhǎng)的電極像卷尺那樣卷起來(lái)，發(fā)明了回旋加速器，第一臺(tái)直徑為一臺(tái)直徑為27cm27cm的回旋加速器投入運(yùn)行，它能將質(zhì)子加速到的回旋加速器投入運(yùn)行，它能將質(zhì)子加速到1Mev1Mev。193919

10、39年勞倫斯獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。年勞倫斯獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。U二、回旋加速器二、回旋加速器（1 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)）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)，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(wú)關(guān)，帶電粒子每次進(jìn)入其周期和速率、半徑均無(wú)關(guān)，帶電粒子每次進(jìn)入D D形盒形盒都運(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)中加速場(chǎng)中加速（2 2）電場(chǎng)的作用：回旋加速器的兩個(gè)）電場(chǎng)的作用：回旋加速器的兩個(gè)D D形盒之間的窄縫區(qū)形盒之間的窄縫區(qū)域存在

11、周期性變化的并垂直于兩域存在周期性變化的并垂直于兩D D形盒正對(duì)截面的勻強(qiáng)形盒正對(duì)截面的勻強(qiáng)電場(chǎng)，帶電粒子經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)被加速電場(chǎng)，帶電粒子經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)被加速（3 3）交變電壓：為了保證帶電粒子每次經(jīng)過(guò)窄縫時(shí)都被）交變電壓：為了保證帶電粒子每次經(jīng)過(guò)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)加上跟帶電粒子在子在D D形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變電壓形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變電壓（一）、質(zhì)譜儀（一）、質(zhì)譜儀質(zhì)譜質(zhì)譜儀儀.swf測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量分析同位素分析同位素二、實(shí)際應(yīng)用二、實(shí)際應(yīng)用（二）、回旋加速器（二）、回旋加速器1、作用：產(chǎn)生

12、高速運(yùn)動(dòng)的粒子、作用：產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)的粒子2、原理、原理回旋加速器的原理回旋加速器的原理.asx1）、兩）、兩D形盒中有勻強(qiáng)磁場(chǎng)無(wú)電場(chǎng)，盒形盒中有勻強(qiáng)磁場(chǎng)無(wú)電場(chǎng)，盒間縫隙有交變電場(chǎng)。間縫隙有交變電場(chǎng)。2）、交變電場(chǎng)的周期等于粒子做勻速圓）、交變電場(chǎng)的周期等于粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期。周運(yùn)動(dòng)的周期。3）、粒子最后出加速器的速度大小由盒的半徑?jīng)Q定。）、粒子最后出加速器的速度大小由盒的半徑?jīng)Q定。3、注意、注意1 1、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)周期、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)周期 跟運(yùn)動(dòng)跟運(yùn)動(dòng)速率和軌道半徑無(wú)關(guān)，對(duì)于一定的帶電粒子和一定的磁速率和軌道半徑無(wú)關(guān)，對(duì)于一定的帶電粒子和一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，這

13、個(gè)周期是恒定的。感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，這個(gè)周期是恒定的。2 mTqB2、交變電場(chǎng)的往復(fù)變化周期和粒子的運(yùn)動(dòng)周期T相同，這樣就可以保證粒子在每次經(jīng)過(guò)交變電場(chǎng)時(shí)都被加速。3、由于狹義相對(duì)論的限制，回旋加速器只能把粒子加速到一定的能量。帶電粒子的最終能量 當(dāng)帶電粒子的速度最大時(shí)，其運(yùn)動(dòng)半徑也最當(dāng)帶電粒子的速度最大時(shí)，其運(yùn)動(dòng)半徑也最大，由大，由r=mv/qBr=mv/qB得得v= rqB/mv= rqB/m，若，若D D形盒的半徑為形盒的半徑為R R，則帶電粒子的最終動(dòng)能：，則帶電粒子的最終動(dòng)能：mRBqEm2222為什么帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無(wú)關(guān)？解析：加速電壓越高，帶電粒子每次加速

14、的動(dòng)能增解析：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)致帶電粒子在量越大，回旋半徑也增加越多，導(dǎo)致帶電粒子在D D形形盒中的回旋次數(shù)越少；反之，加速電壓越低，粒子在盒中的回旋次數(shù)越少；反之，加速電壓越低，粒子在D D形盒中回旋的次數(shù)越多，可見加速電壓的高低只影形盒中回旋的次數(shù)越多，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，由相應(yīng)的動(dòng)能，由 mRBqEm2222小結(jié)： 回旋加速器利用兩回旋加速器利用兩D D形盒窄縫間的電形盒窄縫間的電場(chǎng)使帶電粒子加速，利用場(chǎng)使帶電粒子加速，利用D D形盒內(nèi)的磁形盒內(nèi)的磁場(chǎng)使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，帶電粒子所能獲得場(chǎng)使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，帶電粒子所能獲得的最終能量與的最終能量與B B和和R R有關(guān)，與有關(guān)，與U U無(wú)關(guān)無(wú)關(guān) 如果盡量增強(qiáng)回旋加速器如果盡量增強(qiáng)回旋加速器的磁場(chǎng)或加大的磁場(chǎng)或加大D D形盒半徑，我形盒半徑，我們是不是就可以使帶電粒子們是不是就可以使帶電粒子獲得任意高的能量嗎？獲得任意高的能量嗎？ 思考思考本課小結(jié)：本課小結(jié)：一、帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)一、帶電粒子在磁場(chǎng)中的