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《带电粒子在匀强磁场中的运动》物理高二选修3-1PPT课件

1、讲解人: 时间 :2020.5.20 MENTAL HEALTH COUNSELING PPT 第6节节 带电带电 粒子在匀强磁场场中的运动动 第三章 磁场 人 教 版 高 中 物 理 选 修 3 - 1 课堂导入 美国费费米实验实验 室的回旋加速器直径长长达2km,那么回旋加速器的直径为为什么 要这这么大呢? 1.理论探究 问题:判断下图中带电粒子(电量q,重力不计)所受洛伦兹力 的大小方向及运动性质. 匀速直线线运动动 F=qvB F=0 猜想:匀速圆圆周运动动 ? 一、带电粒子在匀强磁场中的运动 V V - - F洛 V V - - F洛 V V - - F洛 V V - - F洛 洛伦

2、兹伦兹 力只起向心力的作用,所以只在 洛仑兹仑兹 力的作用下,带电带电 粒子将作匀速 圆圆周运动动. 推理验证验证 洛伦兹力对带电 粒子不做功,使得粒子速度的大小不变,所以洛伦兹力大小也 不改变;而且洛伦兹力总与速度方向垂直,正好起到了向心力的作用. 一、带电粒子在匀强磁场中的运动 进一步探究 一带电量为q质量为m速度为v的带电粒子, 垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中,试 推导其作圆周运动的半径和周期分别是多大 ? 说明: (1)轨道半径与粒子的运动速率成正比. (2)周期与圆半径及运动速率均无关. 一、带电粒子在匀强磁场中的运动 亥姆霍 兹线兹线 圈 电电 子 枪枪 磁场场强弱 选择挡选择

3、挡 (1)洛伦兹伦兹 力演示仪仪 加速电压选择挡电压选择挡 励磁线线圈(亥姆霍兹线兹线 圈):能在两线线 圈之间产间产 生平行于两线线圈中心连线连线 的匀强 磁场场. 加速电场电场 :改变电变电 子束射出的速度. 电电子枪枪:射出电电子. 2.实验验证实验验证 一、带电粒子在匀强磁场中的运动 (2)实验实验 演示 不加磁场时观 察电子束的径迹. 给励磁线圈通电,观察电子束的径迹. 保持出射电子的速度不变,改变磁感应强度,观察电子束径迹的变 化. 保持磁感应强度不变,改变出射电子的速度,观察电子束径迹的变 化. 一、带电粒子在匀强磁场中的运动 洛伦兹伦兹 力演示仪仪 一、带电粒子在匀强磁场中的运

4、动 (3)实验结论实验结论 沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子,在匀强磁场中做匀速圆周 运动. 磁感应强度不变粒子射入的速度增大,轨道半径也增大. 粒子射入速度不变,磁感应强度增大,轨道半径减小. 【归纳总结归纳总结 】 一、带电粒子在匀强磁场中的运动 格雷塞尔气泡室显显示 的带电带电 粒子在匀强磁 场场中的运动动径迹 一、带电粒子在匀强磁场中的运动 有的粒子运动过动过 程中能量降低,速度减小,径迹就呈螺旋形. 【例1】.如图所示,一束电子(电量为e)以速度v垂直射入磁感应强度为B, 宽度为d的匀强磁场中,穿透磁场时速度方向与电子原来入射方向的夹角是30 ,则电子的质量是 ,穿透磁场的时间

5、是 . 典型例题 【例2】.长为L的水平极板间,有垂直纸面向内的匀强磁场,如图所示,磁感强 度为B,板间距离也为L,板不带电,现有质量为m,电量为q的带正电粒子( 不计重力),从左边极板间中点处垂直磁感线以速度v水平射入磁场,欲使粒子 不打在极板上,可采用的办法是:( AB ) A使粒子的速度v C使粒子的速度v D使粒子的速度 典型例题 1.质谱仪 是测量带电粒子质量和分析同位素(测比荷)的工具 2.半径的推导 可见半径不同则比荷不同,就意味着它们是不同的粒子. 二、探究质谱仪 的原理 (一)直线加速器 缺陷:直线加速器占有的空间范围大,在有限的空间范围内 制造直线加速器受到一定的限制 由动

6、能定理得带电粒子经n极电场加速后增加的动能为: 三、回旋加速器的原理 1.结构: (1)两个D形盒及两个大磁极 (2)D形盒间的窄缝 (3)高频交流电 (二)回旋加速器 三、回旋加速器的原理 2.原理 (1)电场的作用:使粒子加速 (2)磁场的作用:使粒子回旋 (3)交变电压 :保证带电 粒子 每次经过窄缝时都被加速 思考:粒子不断加速,它的速度和半径都在不断增大,为为了满满足同步条件,电电 源的频频率也要相应发应发 生变变化吗吗? 不需变变化,因为带电为带电 粒子在匀强磁场场中的运 动动周期 ,与运动动速率无关. 三、回旋加速器的原理 回旋加速器的原理分析 三、回旋加速器的原理 问题1:已知

7、D形盒的直径为D,匀强磁场的磁感应强度为B, 交变电压 的电压为 U, 求:(1)从出口射出时,粒子的动能Ek=? (2)要增大粒子的最大动能可采取哪些措施? D D V=V=? U U B B 典型例题 问题2: D越大,EK越大,是不是只要D不断增大,EK 就可以无限制增大呢? 实际并非如此这是因为当粒子的速率大到接近光速时,按照相对论原理, 粒子的质量将随速率增大而明显地增加,从而使粒子的回旋周期也随之变化 ,这就破坏了加速器的同步条件 典型例题 带电粒子在匀强 磁场中的运动 vB vB 应用 匀速直线运动 匀速圆周运动 回旋加速器原理: 半径: 周期: 电场 加速磁场回旋 课堂小结 讲解人: 时间 :2020.5.20 MENTAL HEALTH COUNSELING PPT 感谢谢各位的聆听 第三章 磁场 人 教 版 高 中 物 理 选 修 3 - 1