物理：36《帶電粒子在勻強磁場中的運動》PPT課件(新人教版_選修3-1)

1、第三章磁場第六節(jié)帶電粒子在勻強磁場中的運動討論：討論：若帶電粒子（不計重力）以沿著與若帶電粒子（不計重力）以沿著與勻強磁場勻強磁場垂直垂直的方向射入磁場，粒子將如何運動？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、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，不會改變倫茲力只會改變粒子速度的方向，不會改變其大小。其大小。 1、由于是勻強磁場，洛倫茲力大小保持不變、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、該帶點粒子將會做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力。力提供向心力。 亥姆霍茲線圈亥姆霍茲線圈電電 子子 槍槍

2、磁場強弱選擇擋磁場強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實驗：實驗：實驗：實驗：觀察觀察1：不加磁場時電子束軌跡：不加磁場時電子束軌跡結(jié)論：軌跡是一條直線結(jié)論：軌跡是一條直線判斷：若加逆時針的勵磁電流，磁場方向如判斷：若加逆時針的勵磁電流，磁場方向如何，電子偏轉(zhuǎn)方向?qū)⑷绾?？何，電子偏轉(zhuǎn)方向?qū)⑷绾?？觀察觀察2 判斷：若加順時針的勵磁電流，磁場方向如判斷：若加順時針的勵磁電流，磁場方向如何，電子偏轉(zhuǎn)方向?qū)⑷绾?？何，電子偏轉(zhuǎn)方向?qū)⑷绾?？觀察觀察3 實驗：實驗：結(jié)論結(jié)論1：不加磁場時電子束軌跡不加磁場時電子束軌跡軌跡是一條直線軌跡是一條直線結(jié)論結(jié)論2: 帶電粒子垂直于磁場方

3、向進入磁場后將帶電粒子垂直于磁場方向進入磁場后將做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力。做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力。觀察觀察3：改變加速電壓和勵磁電流時，電子束：改變加速電壓和勵磁電流時，電子束軌跡半徑有何變化？如何解釋？軌跡半徑有何變化？如何解釋？ 一、一、帶電粒子運動軌跡的半徑帶電粒子運動軌跡的半徑勻強勻強磁場中帶電粒子運動軌跡的半徑與哪些因磁場中帶電粒子運動軌跡的半徑與哪些因素有關(guān)？素有關(guān)？思路思路: 帶電粒子做勻速圓周運動，洛倫茲力提帶電粒子做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力。供向心力。可見可見r與速度與速度V、磁感應(yīng)強度、磁感應(yīng)強度B、粒子的比荷有關(guān)、粒子的比荷有關(guān)rvmqv2B

4、qBmvr 例例1 1：一個帶電粒子，沿垂直于磁場的方向：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，粒子弧由于帶電粒子使沿途的空氣電離，粒子的能量逐漸減小的能量逐漸減小( (帶電量不變帶電量不變) )從圖中情況從圖中情況可以確定可以確定A A粒子從粒子從a a到到b b，帶正電，帶正電B B粒子從粒子從a a到到b b，帶負電，帶負電C C粒子從粒子從b b到到a a，帶正電，帶正電D D粒子從粒子從b b到到a a，帶負電，帶負電 C

5、C應(yīng)用：應(yīng)用：同一磁場中不同帶電粒子的跡徑不同同一磁場中不同帶電粒子的跡徑不同qBmvr 能否根據(jù)帶電粒子的運動軌跡分辨能否根據(jù)帶電粒子的運動軌跡分辨初速度為零但比荷不同的粒子？初速度為零但比荷不同的粒子？質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀通過測出粒子圓周運動的半徑，計算粒子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的比荷或質(zhì)量及分析同位素的儀器. 例例2： 一個質(zhì)量為一個質(zhì)量為m、電荷量為、電荷量為q的粒子，從容器的粒子，從容器下方的小孔下方的小孔S1飄入電勢差為飄入電勢差為U的加速電場，其初速度幾的加速電場，其初速度幾乎為零，然后經(jīng)過乎為零，然后經(jīng)過S3沿著與磁場垂直的方向進入磁感應(yīng)沿著

6、與磁場垂直的方向進入磁感應(yīng)強度為強度為B的勻強磁場中，最后打到照相底片的勻強磁場中，最后打到照相底片D上。上。（1）求粒子進入磁場時的速率。）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。）求粒子在磁場中運動的軌道半徑。mq2vqUmv21S S221U可得：能間，電場力做功獲得動在qmU2B1rvqmvrrvmqvv2可得：代入力提供向心力垂直進入磁場，洛倫茲以速度BB 可見半徑不同可見半徑不同意味著比荷不同，意味著比荷不同，意味著它們是不同意味著它們是不同的粒子的粒子二、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帶電粒子在勻強磁場中做

7、勻速圓周運動帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動時周期有何特征？時周期有何特征？BTmvrTqm2qBvr2可知結(jié)合根據(jù)可見同一個粒子在勻強磁場中做勻速圓周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(guān)運動的周期與速度無關(guān)回旋加速器就是根據(jù)這一特點設(shè)計的回旋加速器就是根據(jù)這一特點設(shè)計的 加速器加速器1.直線加速器直線加速器2回旋加速器回旋加速器 回旋加速器回旋加速器兩兩D形盒中有形盒中有勻強磁場勻強磁場無電場，盒無電場，盒間縫隙有間縫隙有交變電場交變電場。電場使粒子加速，磁場使粒子回旋。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粒子回旋的周期不隨半徑改變。改變。讓電場方向變

8、化的讓電場方向變化的周期與粒子回旋的周期一周期與粒子回旋的周期一致致，從而保證粒子始終被，從而保證粒子始終被加速。加速。1. 在磁場中做圓周運動在磁場中做圓周運動,周期不變周期不變2. 每一個周期加速兩次每一個周期加速兩次3. 電場的周期與粒子在磁場中做圓周運動周期相電場的周期與粒子在磁場中做圓周運動周期相同同4. 電場一個周期中方向變化兩次電場一個周期中方向變化兩次5. 粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定6. 電場加速過程中電場加速過程中,時間極短時間極短,可忽略可忽略結(jié)論結(jié)論例例3：關(guān)于回旋加速器的工作原理，下列說法正確的是：關(guān)于回旋加速器的工作原理，下列說法

9、正確的是：A、電場用來加速帶電粒子，磁場則使帶電粒子回旋、電場用來加速帶電粒子，磁場則使帶電粒子回旋B、電場和磁場同時用來加速帶電粒子、電場和磁場同時用來加速帶電粒子C、同一加速器，對某種確定的粒子，它獲得的最大、同一加速器，對某種確定的粒子，它獲得的最大動能由加速電壓決定動能由加速電壓決定D、同一加速器，對某種確定的粒子，它獲得的最大、同一加速器，對某種確定的粒子，它獲得的最大動能由磁感應(yīng)強度動能由磁感應(yīng)強度B決定和加速電壓決定決定和加速電壓決定(A) 例例4：垂直紙面向外的勻強磁場僅限于寬度為：垂直紙面向外的勻強磁場僅限于寬度為d的的條形區(qū)域內(nèi)，磁感應(yīng)強度為條形區(qū)域內(nèi)，磁感應(yīng)強度為B一個質(zhì)

10、量為一個質(zhì)量為m、電量為電量為q的粒子以一定的速度垂直于磁場邊界方的粒子以一定的速度垂直于磁場邊界方向從向從點垂直飛入磁場區(qū)，如圖所示，當(dāng)它飛離點垂直飛入磁場區(qū)，如圖所示，當(dāng)它飛離磁場區(qū)時，運動方向偏轉(zhuǎn)磁場區(qū)時，運動方向偏轉(zhuǎn)角試求粒子在磁場角試求粒子在磁場中運動的時間中運動的時間t三、帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的時間三、帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的時間qBmqBmTt222四、帶電粒子在磁場中運動情況研究四、帶電粒子在磁場中運動情況研究 1、找圓心：方法、找圓心：方法 2、定半徑：、定半徑： 3、確定運動時間：、確定運動時間：Tt2qBmT2注意：用弧度表示用弧度表示幾何法求半

11、徑幾何法求半徑向心力公式求半徑向心力公式求半徑利用利用vR利用弦的中垂線利用弦的中垂線確定帶電粒子在磁場中運動軌跡的方法確定帶電粒子在磁場中運動軌跡的方法1 1、物理方法：、物理方法：作出帶電粒子在磁場中兩個位置所受洛侖茲力，沿其方向作出帶電粒子在磁場中兩個位置所受洛侖茲力，沿其方向延長線的交點確定圓心，從而確定其運動軌跡。延長線的交點確定圓心，從而確定其運動軌跡。2 2、物理和幾何方法：、物理和幾何方法：作出帶電粒子在磁場中某個位置所受洛侖茲力，沿其方向的作出帶電粒子在磁場中某個位置所受洛侖茲力，沿其方向的延長線與圓周上兩點連線的中垂線的交點確定圓心，從而確延長線與圓周上兩點連線的中垂線的交

12、點確定圓心，從而確定其運動軌跡。定其運動軌跡。3 3、幾何方法：、幾何方法：圓周上任意兩點連線的中垂線過圓心圓周上任意兩點連線的中垂線過圓心圓周上兩條切線夾角的平分線過圓心圓周上兩條切線夾角的平分線過圓心過切點作切線的垂線過圓心過切點作切線的垂線過圓心 如圖，虛線上方存在無窮大的磁場，一帶正電的粒子質(zhì)如圖，虛線上方存在無窮大的磁場，一帶正電的粒子質(zhì)量量m m、電量、電量q q、若它以速度、若它以速度v v沿與虛線成沿與虛線成30300 0、90900 0、1501500 0、1801800 0角分別射入，請你作出上述幾種情況下粒子的軌跡、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

13、場中運動的時間。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入射角300時時qBmqBmt3261入射角入射角1500時時qBmqBmt35265粒子在磁場中做圓周運動的對稱規(guī)律：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，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。速度與邊界的夾角相等。1 1、兩個對稱規(guī)律：、兩個對稱規(guī)律：五、臨界問題五、臨界問題例：長為例：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，磁感強度為示，磁感強度為B，板間距離也為，板間距離也為L，板不帶電，現(xiàn)有質(zhì)量為，板不帶電