高中物理《带电粒子在匀强磁场中的运动》学案 新人教版选修3-1 .doc

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1、山东省新泰市汶城中学高二物理选修3-1《带电粒子在匀强磁场中的运动》学案人教版一、带电粒子在匀强磁场中的运动1.洛伦兹力不改变带电粒子速度的________,或者说,洛伦兹力对带电粒子不________.2.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______.洛伦兹力方向总与速度方向垂直,正好起到了________的作用.公式:________=m.(1)半径:r=___________.)周期:T=__________.二、质谱仪和回旋加速器1.质谱仪:1)原理图:如图1所示图1(2)加速:电粒子进入质谱仪的加速电场,由动能定理得:________=mv2①(3)偏转

2、:带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力:____=②(4)由①②两式可以求出粒子的半径r、__________、________等.其中由r=可知电荷量相同时,半径将随________变化.(5)质谱仪的应用:可以测定带电粒子的质量和分析__________.2.回旋加速器(1)构造图:如图2所示,回旋加速器的核心部件是两个________.(2)周期:粒子每经过一次加速,其轨道半径就大一些,粒子绕圆周运动的周期_______.(3)最大动能:由qvB=和Ek=mv2得Ek=________,当r=R时,有最大动能Ekm=(R为D形盒的半径),即粒子在回旋加速

3、器中获得图2的最大动能与q、m、B、R有关,与加速电压无关.知识探究要点一带电粒子在磁场中运动的轨迹1.圆心的确定:带电粒子进入一个有界匀强磁场后的轨迹是一段圆弧,如何确定圆心是解决问题的前提,也是解题的关键.首先,应有一个最基本的思路:即圆心一定在与速度方向垂直的直线上.在实际问题中圆心位置的确定极为重要,通常有两种方法:(1)已知入射方向和出射方向时,可通过入射点和出射点分别作垂直于入射方向和出射方向的直线,两条直线的交点就是圆弧轨迹的圆心(如图3所示,图中P为入射点,M为出射点).图3图4(2)已知入射方向和出射点的位置时,可以通过入射点作入射方向的垂线,连接入射点和出射点,作其

4、中垂线,这两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心(如图4所示,P为入射点,M为出射点)..3-6-1.反思小结2.半径的确定和计算(如图5所示):利用平面几何关系,求出该圆的可能半径(或圆心角).并注意以下两个重要的几何特点:(1)粒子速度的偏向角(φ)等于回旋角(α),并等于AB弦与切线的夹角(弦切角θ)的2倍(如图6),即φ=α=2θ=ωt.(2)相对的弦切角(θ)相等,与相邻的弦切角(θ′)互补:.3.运动时间的确定:粒子在磁场中运动一周的时间为T,当粒子运动的圆弧所对应的圆心角为α时,其运动时间可由下式表示:t=T或(t=T).要点二回旋加速器的工作原理图5回旋加速器的工作原理如图6

5、所示.放在A0处的粒子源发出一个带正电的粒子,它以某一速率v0垂直进入匀强磁场中,在磁场中做匀速圆周运动.经过半个周期,当它沿着半圆A0A1到达A1时,我们在A1A1′处设置一个向上的电场,使这个带电粒子在A1A1′处受到一次电场的加速,速率由v0增加到v1,然后粒子以速率v1在磁场中做匀速圆周运动.我们知道,粒子的轨迹半径跟它的速率成正比,因而粒子将沿着增大了的圆周运动.又经过半个周期,当它沿着半圆弧A1′A2′到达A2′时,我们在A2′A2处设置一个向下的电场,使粒子又一次受到电场的加速,速率增加到v2.如此继续下去,每当粒子运动到A1A1′、A3A3′等处时都使它受到一个向上电场

6、的加速,每当粒子运动到A2′A2、A4′A4等处时都使它受到一个向下电场的加速,那么,粒子将沿着图示的螺线回旋下去,速率将一步一步地增大.图6典例剖析题型一、带电粒子在磁场中的运动【例1】月球“勘探者号”空间探测器,运用最新科技手段对月球进行近距离勘探,在月球重力分布、磁场分布及元素测定方面取得最新成果.月球上的磁场极其微弱,探测器通过测量运动电子在月球磁场中轨迹来推算磁场强弱的分布,如图7是探测器通过月球a、b、c、d位置(a轨迹恰为一个半圆).设电子速率相同,且与磁场方向垂直.据此可判断磁场最弱的是哪个位置.已知图中照片是边长为20cm的正方形,电子比荷为1.8×1011C/kg,

7、速率为90m/s,则a点的磁感应强度为多少?图7题型二、回旋加速器【例2】回旋加速器中,随着粒子的运动越来越快,也许粒子走过半圆的时间间隔越来越短,这样两盒间电势差的正负变换就要越来越快,从而造成技术上的一个难题.实际情况是这样吗?题型三、带电粒子在有界磁场中的运动A【例3】如图8所示为一种质谱仪的工作原理示意图.在以O为圆心,OH为对称轴,夹角为2α的扇形区域内分布着方向垂直于纸面的匀强磁场.对称于OH轴的C和D分别是离子发射点和收集点.CM

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