【物理課件】磁場第三課時(shí)：帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動ppt課件.ppt

1、帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動,能忽略帶電體重力的情況下（什么情況？），則只需考慮電場和磁場。這時(shí)有兩種情況：,1、電場和磁場成獨(dú)立區(qū)域,電場,重力場,磁場,天馬行空官方博客： ；QQ:1318241189；QQ群：175569632,練習(xí)1: 如圖所示，一個(gè)帶電粒子兩次以同樣的垂直于場線的初速度v0分別穿越勻強(qiáng)電場區(qū)和勻強(qiáng)磁場區(qū)， 場區(qū)的寬度均為L偏轉(zhuǎn)角度均為，求EB,注:在電場中射出速度方向的反向延長線過中點(diǎn),但在磁場中不成立.,1、電場和磁場成獨(dú)立區(qū)域,電場力與洛侖茲力的比較,1、電場力的與電荷的運(yùn)動無關(guān) 洛侖茲力與電荷的運(yùn)動有關(guān),2、電場力做功改變動能的大小 洛侖茲力不做功，不會改變動能的大

2、小 即在兩個(gè)力共同作用下，加速減速的原因肯定是電場力影響。,例3：如圖所示，套在很長的絕緣直棒上的小球，質(zhì)量為m，帶電量為+q，小球可在直棒上滑動，將此棒豎直放在互相垂直，且沿水平方向的勻強(qiáng)磁場中，電場強(qiáng)度為E，磁場強(qiáng)度為B，小球與棒的動摩擦因素為，求：小球由靜止沿棒下落的最大加速度和最大速度（設(shè)小球電量不變）,2、電場和勻強(qiáng)磁場共存區(qū)域,E,B,若電場方向水平向左呢?,1速度選擇器,【例1】 某帶電粒子從圖中速度選擇器左端由中點(diǎn)O以速度v0向右射去，從右端中心a下方的b點(diǎn)以速度v1射出；若增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B，該粒子將打到a點(diǎn)上方的c點(diǎn)，且有ac=ab，則該粒子帶_電；第二次射出時(shí)的速度為_。若

3、要使粒子從a 點(diǎn)射出,電場E= .,速度選擇器： （1）任何一個(gè)正交的勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場組成速度選擇器。 （2）帶電粒子必須以唯一確定的速度 （包括大小、方向）才能勻速（或者說 沿直線）通過速度選擇器。否則將發(fā)生 偏轉(zhuǎn)。即有確定的入口和出口。 （3）這個(gè)結(jié)論與粒子帶何種電荷、電荷多少都無關(guān)。, , ,v,若速度小于這一速度，電場力將大于洛倫茲力，帶電粒子向電場力方向偏轉(zhuǎn)，電場力做正功，動能將增大，洛倫茲力也將增大，粒子的軌跡既不是拋物線，也不是圓，而是一條復(fù)雜曲線；若大于這一速度，將向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)，電場力將做負(fù)功，動能將減小，洛倫茲力也將減小，軌跡是一條復(fù)雜曲線。,練習(xí)1: 在兩平行金屬板

4、間有正交的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場，一個(gè)帶電粒子垂直于電場和磁場方向射入場中，射出時(shí)粒子的動能減少了，為了使粒子射出時(shí)動能增加，在不計(jì)重力的情況下，可采取的辦法是： A.增大粒子射入時(shí)的速度 B.減小磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度 C.增大電場的電場強(qiáng)度 D.改變粒子的帶電性質(zhì),BC,練習(xí)2: 如圖所示，水平放置的兩個(gè)平行金屬板MN、PQ間存在勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場。MN板帶正電，PQ板帶負(fù)電，磁場方向垂直紙面向里。一帶電微粒只在電場力和洛倫茲力作用下，從I點(diǎn)由靜止開始沿曲線IJK運(yùn)動，到達(dá)K點(diǎn)時(shí)速度為零，J是曲線上離MN板最遠(yuǎn)的點(diǎn)。有以下幾種說法： 在I點(diǎn)和K點(diǎn)的加速度大小相等，方向相同 在I點(diǎn)和K點(diǎn)的加速度大小相

5、等，方向不同 在J點(diǎn)微粒受到的電場力小于洛倫茲力 在J點(diǎn)微粒受到的電場力等于洛倫茲力 其中正確的是（ ） A. B. C. D. ,A,【例3】一個(gè)帶電微粒在圖示的正交勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場中在豎直面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動。則該帶電微粒必然帶_，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)開。若已知圓半徑為r，電場強(qiáng)度為E磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則線速度為_。,負(fù)電,逆時(shí)針,結(jié)論：帶電微粒在三個(gè)場共同作用下做勻速圓周運(yùn)動。必然是電場力和重力平衡，而洛倫茲力充當(dāng)向心力。,2、質(zhì)譜儀,思考：質(zhì)譜儀的主要作用是什么？,測定帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素,這就是丹普斯特(Dempster)設(shè)計(jì)的質(zhì)譜儀的原理。,測定帶電粒子質(zhì)量的儀器,mv2/2=qU (1

6、),mv2/R=qvB (2),m=qB2R22U。 (3),如果B、u和q是已知的，測出R后就可由(3)式算出帶電粒子的質(zhì)量。,班布瑞基(Bainbridge)設(shè)計(jì)的質(zhì)譜儀的原理,eE=evB,R=mv/qB,m=qBR/v,如果B、V和q是已知的，測出R后就可算出帶電粒子的質(zhì)量。,3、回旋加速器,（1）有關(guān)物理學(xué)史知識和回旋加速器的基本結(jié)構(gòu)和原理,回旋加速器（勞倫斯1939獲Nobel prize）,a、原理： 磁場什么作用？ 使粒子在D形盒內(nèi)_。 電場什么作用？重復(fù)多次對粒子_. 最終速度取決于什么量？,b、條件：,交變電壓的周期等于粒子圓周運(yùn)動的周期,c、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：,兩個(gè)D形金屬盒做

7、外殼的作用是什么?,交變電壓頻率=粒子回旋頻率,（2）帶電粒子在D形金屬盒內(nèi)運(yùn)動的軌道半徑是不等距分布的,設(shè)粒子的質(zhì)量為m，電荷量為q，兩D形金屬盒間的加速電壓為U，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，粒子第一次進(jìn)入D形金屬盒，被電場加速1次，以后每次進(jìn)入D形金屬盒都要被電場加速2次。粒子第n次進(jìn)入D形金屬盒時(shí)，已經(jīng)被加速（2n-1）次。,問題:帶電粒子在D形金屬盒內(nèi)任意兩個(gè)相鄰的圓形軌道半徑之比為 多少?,可見帶電粒子在D形金屬盒內(nèi)運(yùn)動時(shí)，軌道是不等距分布的，越靠近D形金屬盒的邊緣，相鄰兩軌道的間距越小。,（3）帶電粒子在回旋加速器內(nèi)運(yùn)動，決定其最終能量的因素,Ek=,可見，粒子獲得的能量與回旋加速器

8、的直徑有關(guān)，直徑越大，粒子獲得的能量就越大。,為,（4）決定帶電粒子在回旋加速器內(nèi)運(yùn)動時(shí)間長短的因素,例題. 如圖為處于真空室內(nèi)的回旋加速器示意圖，質(zhì)量為m，帶電量為q的帶電粒子，剛進(jìn)入兩D形盒間隙時(shí)速度可忽略不計(jì)，D形盒間隙中加有電壓為U的同步交變電壓，能使帶電粒子每經(jīng)過D形盒的間隙就被加速一次，兩D形盒中的勻強(qiáng)磁場使粒子在盒內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動，最后達(dá)到較大的動能后從外側(cè)出口處被引出進(jìn)行科學(xué)如圖實(shí)驗(yàn)。若D形盒的半徑為R，垂直D形盒的勻強(qiáng)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，粒子所受重力忽略 不計(jì)，粒子經(jīng)過D形盒間隙的時(shí)間不計(jì)，求： （1）帶電粒子被引出時(shí)的動能為多大？ （2）帶電粒子在加速器中被加速的次數(shù)及時(shí)間

9、。,（1）粒子在D形盒內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動，由 qvB=mv2/r v=qBr/m，當(dāng)r達(dá)最大值R時(shí)，vm=qBR/m，故動能最大值 EK=,圖11一17,（2）粒子每經(jīng)過兩D形盒間隙，就被加速一次，設(shè)共經(jīng)過n次加速，則nqU=EK，可得n= .,又粒子每經(jīng)過一次半圓運(yùn)動為半個(gè)周期T，且T= 2m/qB 不變，故加速總時(shí)間t= .,Ek=,【練習(xí)】一個(gè)回旋加速器，當(dāng)外加電場的頻率一定時(shí)，可以把質(zhì)子的速率加速到v，質(zhì)子所能獲得的能量為E，則： 這一回旋加速器能把粒子加速到多大的速度？ 這一回旋加速器能把粒子加速到多大的能量？ 這一回旋加速器加速粒子的磁感應(yīng)強(qiáng)度跟加速質(zhì)子的磁感應(yīng)強(qiáng)度之比為？,4、磁流

10、體發(fā)電機(jī),例：如圖所示的磁流體發(fā)電機(jī)，已知橫截面積為矩形的管道長為l，寬為a,高為b，上下兩個(gè)側(cè)面是絕緣體，前后兩個(gè)側(cè)面是電阻可忽略的導(dǎo)體，分別與負(fù)載電阻R的一端相連，整個(gè)裝置放在垂直于上、下兩個(gè)側(cè)面的勻強(qiáng)磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。含有正、負(fù)帶電粒子的電離氣體持續(xù)勻速地流經(jīng)管道，假設(shè)橫截面積上各點(diǎn)流速相同，已知流速與電離氣體所受的摩擦力成正比，且無論有無磁場存在時(shí)，都維持管兩端電離氣體的壓強(qiáng)差為P。如果無磁場存在時(shí)電離氣體 的流速為v0，那么有磁場存在時(shí) ，此磁液體發(fā)電機(jī)的電動勢E的 大小是多少？已知電離氣體的平 均電阻率為。,簡解：無磁場由電離氣體勻速壓力等于摩擦力。 即 Pab=f=KVo 有磁場時(shí)，內(nèi)部導(dǎo)電氣體受安培力向左且F=BIa 水平方向受力平衡： Pab-BIa=Kv V=Vo（1-BI/Pa） 又由全電路歐姆定律 =I（R+a/b l ） 豎直方向受力平衡： q/a=qvB =Bav 由上三式可得： =,5、電磁流量計(jì),若管道為其他形狀,如矩形呢?,例： 如圖所示為一電磁流量計(jì)的示意圖，截面為正方形的非磁性管，其邊長為d，內(nèi)有導(dǎo)電液體流動，在垂直液體流動方向加一指向紙里的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B現(xiàn)測得液體a、b兩點(diǎn)間的電勢差為U，求管內(nèi)導(dǎo)電液體的流量Q為多少？