帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動

帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動第1頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月古往今來，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?！薄⑺诡D課堂引入第2頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月了解阿斯頓阿斯頓（FrancisWi11iamAston）是英國物理學(xué)家，擅長實驗，知識淵博，自英國伯明翰大學(xué)畢業(yè)后，就到著名的卡文迪許實驗室當(dāng)了湯姆遜的助手。他長期從事同位素和質(zhì)譜的研究。他首次制成了聚焦性能較高的質(zhì)譜儀，并用此來對許多元素的同位素及其豐度進(jìn)行測量，從而肯定了同位素的普遍存在。同時根據(jù)對同位素的研究，他還提出了元素質(zhì)量的整數(shù)法則。因此他榮獲了1922年的諾貝爾化學(xué)獎。1945年11月20日，阿斯頓在劍橋大學(xué)因病逝世，終年68歲。他制作和發(fā)明的許多儀器都妥善地保存在倫敦博物館和卡文迪許實驗室博物館內(nèi)。第3頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.6帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動第4頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月介紹球形電子射線管第5頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月球形電子射線管實驗第6頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月帶電粒子在磁場中的運動規(guī)律F洛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；Bv2、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，將作勻速圓周運動第7頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月勻強(qiáng)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。角速度第8頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月帶電粒子在氣泡室中的徑跡第9頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月質(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：第10頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月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。鍺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)譜儀最初是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計的，他用質(zhì)譜儀首先得到了氖-20和氖-22的質(zhì)譜線，證實了同位素的存在。質(zhì)譜儀第11頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月早期的直線加速器2、特點：①高壓電源②粒子獲得最高能量可達(dá)10MevUEK=mv2/2=qU1、原理：利用電場加速帶電粒子第12頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月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第13頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月多級直線加速器應(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。筒間加速筒內(nèi)靜電屏蔽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。？直線加速器第14頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月直線加速器第15頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月回旋加速器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。第16頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月了解勞倫斯勞倫斯(ErnestOrlandoRawrence)是美國著名物理學(xué)家、回旋加速器的發(fā)明者，1901年8月8日出生于美國達(dá)科他州南部的坎頓，是一個教書世家，其祖父及父母都是教師，他年僅30歲就聞名于全世界。1930年，勞倫斯受聘于伯克利加利福尼亞大學(xué)擔(dān)任物理學(xué)教授。為了研究核物理，勞倫斯提出一種使粒子作曲線運動并同時加速的方案。因人工放射性方面的成果于1939年獲諾貝爾物理學(xué)獎。1940年，勞倫斯成為麻省理工學(xué)院內(nèi)的另一輻射實驗室的美國物理學(xué)家之一。在他的實驗室中工作過的人，有八人獲諾貝爾獎的殊榮，其中四人是勞倫斯的徒弟或低級合作者，另外四人則是以別的方式同“輻射實驗室”有聯(lián)系的。第17頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月回旋加速器的原理第18頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月

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?；匦铀倨鞯脑淼?9頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月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(qiáng)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(qiáng)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。回旋加速器的原理第20頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月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(qiáng)度B和D形盒的半徑R。

回旋加速器的原理第21頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月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回旋加速器的原理第22頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月回旋加速器的出現(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(jī)等。粒子加速器第23頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月費米實驗室環(huán)形加速器——美國伊利諾依州第24頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月——同步加速器法國東南部格勒諾布爾第25頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月粒子加速器第26頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月粒子加速器第27頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月北京正負(fù)電子對撞機(jī)第28頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月北京正負(fù)電子對撞機(jī)部分原理圖第29頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月帶電粒子經(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。思考與討論第30頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月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)第31頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月課堂練習(xí)C2、兩個粒子帶電量相等，在同一勻強(qiáng)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，則周期相等第32頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月3、傾角θ的光滑斜面處于垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)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？-qmmgF洛課堂練習(xí)FN第33頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月4、長為l的水平極板間，有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場，如圖所示，磁感應(yīng)強(qiáng)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

ABO1R1××××××××××××BO2R2課堂練習(xí)第34頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月5、如圖所示，在x軸上方有勻強(qiáng)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)第35頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月6、一帶電量為3×10－8C的粒子垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.8T的勻強(qiáng)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°abO課堂練習(xí)7.2×10-10kg第36頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月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(qiáng)度為B，方向與軌道平面垂直的勻強(qiáng)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！第37頁，課件共38頁，創(chuàng)作于20