物理:第6节 带电粒子在匀强磁场中的运动 课件(人教版选修3-1)概要.ppt

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1、第六节 带电粒子在匀强磁场中的运动课标定位学习目标:1.掌握洛伦兹力对带电粒子不做功的特点.2.掌握带电粒子在匀强磁场中的运动轨迹.3.了解回旋加速器的原理.重点难点:带电粒子在匀强磁场中的受力分析及运动轨迹确定.一、带电粒子在匀强磁场中的运动1.运动规律(1)带电粒子平行于磁场方向射入时,做_________运动.(2)带电粒子垂直于磁场方向射入时,由于洛伦兹力总与速度方向垂直,起到向心力的作用,所以带电粒子在匀强磁场中做___________运动.匀速直线匀速圆周二、质谱仪1.原理图:如图3-6-1所示.图3-6-1qUqvB同位素三、回旋加速

2、器1.工作原理如图3-6-2所示,D1和D2是两个中空的半圆金属盒,它们之间有一定的电势差U,A处的粒子源产生的带电粒子在两盒之间被电场加速.D1、D2处于与盒面垂直的匀强磁场B中,粒子将在磁场中做匀速圆周运动,经半个圆周(半个周期)后,再次到达两盒间的缝隙,控制两盒间电势差,使其恰好改变正负,于是粒子在盒缝间再次被加速,如果粒子每次通过盒间缝隙均能被加速,粒子速度就能够增加到很大.图3-6-2不变思考感悟回旋加速器上所加的交流电的电压越大,粒子经过D形盒间隙时,电场力做功越多,粒子飞出D形盒的末动能是否也越大?一、带电粒子在有界磁场中运动的求解方

3、法有界匀强磁场是指只在局部空间存在着匀强磁场.带电粒子从磁场区域外垂直磁场方向射入磁场,在磁场区域内经历一段匀速圆周运动,也就是通过一段圆弧轨迹后离开磁场区域.由于带电粒子垂直进入磁场的方向不同,或者由于磁场区域边界不同,造成它在磁场中运动的圆弧轨迹各不相同,图3-6-3举出了沿不同方法垂直进入磁场后的圆弧轨迹的情况.图3-6-3正确解决这类问题的前提和关键是:画轨迹、定圆心、连半径、作三角形.1.确定圆心(1)已知入射方向和出射方向时,可以作通过入射点和出射点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道的圆心,如图3-6-4甲所示

4、,P为入射点,M为出射点,O为轨道圆心.图3-6-4(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,作其中垂线,这两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心,如图3-6-4乙所示,P为入射点,M为出射点,O为轨道圆心.(3)两条弦的中垂线:如图3-6-5所示,带电粒子在匀强磁场中分别经过O、A、B三点时,其圆心O′在OA、OB的中垂线的交点上.图3-6-5图3-6-6(4)已知入射点、入射方向和圆周的一条切线:如图3-6-6所示,过入射点A做v垂线AO,延长v线与切线CD交于C点,做∠ACD的角平分线交AO于O点,O点

5、即为圆心,求解临界问题常用到此法.2.求半径由于已知条件的不同,求半径有两种方法:一是已知物理量(q、m、B、v)利用半径公式求半径,再由图形求其他几何量;二是已知其他几何量利用数学知识求半径,再由半径公式求物理量.特别提醒:(1)轨道半径与磁感应强度、运动速度相联系,在磁场中运动的时间与周期、偏转角相联系.(2)粒子速度的偏向角(φ)等于圆心角(α),并等于AB弦与切线的夹角(弦切角θ)的2倍(如图3-6-7),即φ=α=2θ=ωt.图3-6-7即时应用(即时突破,小试牛刀)1.在匀强磁场中,一个带电粒子做匀速圆周运动,如果又垂直进入另一磁感应

6、强度是原来磁感应强度2倍的匀强磁场,则()A.粒子的速率加倍,周期减半B.粒子速率不变,轨道半径减半C.粒子的速率减半,轨道半径变为原来的1/4D.粒子速率不变,周期减半(2)电场的作用回旋加速器两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两D形盒正对截面的匀强电场,带电粒子经过该区域时被加速.(3)交变电压为保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速,使之能量不断提高,需在窄缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压.即时应用(即时突破,小试牛刀)2.(2010年德州模拟)1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器,其原理如图3-6-8

7、所示.这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成,其间留有空隙,下列说法正确的是()A.离子由加速器的中心附近进入加速器B.离子由加速器的边缘进入加速器C.离子从磁场中获得能量D.离子从电场中获得能量图3-6-8解析:选AD.回旋加速器的两个D形盒间隙分布周期性变化的电场,不断地给带电粒子加速使其获得能量;而D形盒处分布有恒定不变的磁场,具有一定速度的带电粒子在D形盒内受到磁场的洛伦兹力提供的向心力而做圆周运动;洛伦兹力不做功故不能使离子获得能量,C错;离子源在回旋加速器的中心附近,所以正确选项为A、D.三、带电粒子在复合场中的运动规律1.受力及运动

8、分析正确分析带电粒子的受力及运动特征是解决问题的前提,带电粒子在复合场中做什么运动,取决于带电粒子所受的合外力及其初始状态

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