第三章磁場第六節(jié)帶電粒子在勻強磁場中的運動（第一課時）1.帶電的基本粒子：如電子，質(zhì)子，α粒子，正負離子等。這些粒子所受重力和洛侖磁力相比小得多，除非有說明或明確的暗示以外，一般都不考慮重力。（但并不能忽略質(zhì)量）2.帶電微粒：如帶電小球、液滴、塵埃等。除非有說明或明確的暗示以外，一般都考慮重力。一、帶電粒子的分類3.某些帶電體是否考慮重力，要根據(jù)題目暗示或運動狀態(tài)來判定。（1）v⊥B

時，洛倫茲力的方向與速度方向有何關系？1.帶電粒子平行射入勻強磁場，運動狀態(tài)如何？（重力不計）2.帶電粒子垂直射入勻強磁場，運動狀態(tài)如何？（重力不計）做勻速直線運動-vF洛v-F洛v-F洛v-F洛（2）帶電粒子僅在洛倫茲力的作用下，粒子的速率變化么？能量呢？（4）從上面的分析，你認為垂直于勻強磁場方向射入的帶電粒子，在勻強磁場中的運動狀態(tài)如何？洛倫茲力對電荷只起向心力的作用，故只在洛倫茲力的作用下，電荷將做勻速圓周運動。帶電粒子在磁場中運動時，它所受的洛倫茲力總與速度方向垂直，不改變帶電粒子的速度大小，只改變速度方向。二、帶電粒子在勻強磁場中運動情況1.工作原理：由電子槍發(fā)出的電子射線可以使管的低壓水銀蒸汽發(fā)出輝光，顯示出電子的徑跡。兩個平行的通電環(huán)形線圈可產(chǎn)生沿軸線方向的勻強磁場。洛倫茲力演示儀亥姆霍茲線圈電子槍觀看視頻演示3.實驗結論：帶電粒子垂直進入磁場中，粒子在垂直磁場方向的平面內(nèi)做勻速圓周運動，此洛倫茲力不做功。2.實驗現(xiàn)象：在暗室中可以清楚地看到，在沒有磁場作用時，電子的徑跡是直線；在管外加上勻強磁場，電子的徑跡變彎曲成圓形。運動電荷在磁場中受到洛倫茲力的作用，運動方向會發(fā)生偏轉，這一點對于地球上的生命來說有十分重要的意義。從太陽或其他星體上，時刻都有大量的高能粒子流放出，稱為宇宙射線，這些高能粒子流，如果都到達地球，將對地球上的生物帶來危害。慶幸的是，地球周圍存在地磁場，地磁場改變宇宙射線中帶電粒子的運動方向，對宇宙射線起了一定的阻擋作用，形成了美麗的極光。例1.如圖，有一質(zhì)量為

m，電荷量為q

的帶電粒子（不計重力），以速度v

垂直進入磁感應強度為B

的勻強磁場中，試求該粒子在磁場中做勻速圓周運動的圓半徑r

和運動周期T

。三、帶電粒子做勻速圓周運動的物理量FqBv粒子做勻速圓周運動所需的向心力是由粒子所受的洛倫茲力提供的，所以：推導:1.軌道半徑和粒子的運動速率成正比。2.帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動的周期和運動速率無關。說明:例1.已知氫核與氦核的質(zhì)量之比m1∶m2＝1∶4，電荷量之比q1∶q2＝1∶2，當氫核與氦核以v1∶v2＝4∶1的速度，垂直磁場方向射入磁場后，分別做勻速圓周運動，則氫核與氦核的半徑之比r1∶r2＝________，周期之比T1∶T2＝________。1∶22∶12.如圖所示，虛線圓所圍區(qū)域內(nèi)有方向垂直紙面向里的勻強磁場，磁感應強度為B。一束電子沿圓形區(qū)域的直徑方向以速度v射入磁場，電子束經(jīng)過磁場區(qū)后，其運動方向與原入射方向成θ角。設電子質(zhì)量為m，電荷量為e，不計電子之間相互作用力及所受的重力。求：(1)電子在磁場中運動軌跡的半徑R；(2)電子在磁場中運動的時間t；(3)圓形磁場區(qū)域的半徑r。

四、帶電粒子做勻速圓周運動的應用一、質(zhì)譜儀世界上第一臺質(zhì)譜分析器—磁式質(zhì)譜儀現(xiàn)代質(zhì)譜儀1.用途：質(zhì)譜儀是測量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具。2.基本原理將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒子經(jīng)同一電場加速再垂直進入同一勻強磁場，由于粒子動量不同，引起軌跡半徑不同而分開，進而分析某元素中所含同位素的種類例2.如圖所示，一個質(zhì)量m，電荷量q的帶電粒子，從容器A

下方小孔S1飄入電勢差為U

的加速電場，其初速度近似為0，然后經(jīng)過S3間沿著與磁場垂直的方向進入磁感應強度為B

的勻強磁場中，最后打到照相底片D

上。求：（1）粒子進入磁場時的速率v；（1）粒子在磁場中運動的軌道半徑r。解:(1)在S1、S2間，電場對粒子做功，由動能定理得：(2)粒子垂直進入磁場，洛倫茲力提供向心力1．加速原理：利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電粒子的動能增加，qU=Ek．2．直線加速器，多級加速。

如圖所示是多級加速裝置的原理圖：二、加速器（一）直線加速器+––––+++U1U2P6U3UnP2P4P3P1P5一級n級二級三級粒子在每個加速電場中的運動時間相等，因為交變電壓的變化周期相同。

3．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。由動能定理得帶電粒子經(jīng)n

極的電場加速后增加的動能為：（二）回旋加速器1932年，加利福尼亞大學的勞倫斯（1939年獲得諾貝爾物理獎）提出了一個卓越的思想，通過磁場的作用迫使帶電粒子沿著磁極之間做螺旋線運動，把長長的電極像卷尺那樣卷起來，發(fā)明了回旋加速器，第一臺直徑為27cm的回旋回速器投入運行，它能將質(zhì)子加速到1Mev。歐內(nèi)斯特·奧蘭多·勞倫斯（ErnestOrlandoLawrence，1901～1958)1Mev

=106eV回旋加速器的原理兩D形盒中有勻強磁場無電場，盒間縫隙有交變電場。電場使粒子加速，磁場使粒子回旋。粒子回旋的周期不隨半徑改變。讓電場方向變化的周期與粒子回旋的周期一致，從而保證粒子始終被加速。通過觀看動畫，了解回旋加速器的工作原理帶電粒子的最終能量當帶電粒子的速度最大時，其運動半徑也最大，由

r=mv/qB得

v=rqB/m，若

D形盒的半徑為

R，則帶電粒子的最終動能：所以，要提高加速粒子的最終能量，應盡可能增大磁感應強度

B和

D形盒的半徑

R。

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，導致帶電粒子在D形盒中的回旋次數(shù)越少；反之，加速電壓越低，粒子在D

形盒中回旋的次數(shù)越多，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的動能，由

可知，增強B

和增大R

可提高加速粒子的最終能量，與加速電壓高低無關。為什么帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無關？例3.關于回旋加速器的工作原理，下列說法正確的是（）

A.電場用來加速帶電粒子，磁場則使帶電粒子回旋

B.電場和磁場同時用來加速帶電粒子

C.同一加速器，對某種確定的粒子，它獲得的最大動能由加速電壓決定

D.同一加速器，對某種確定的粒子，它獲得的最大動能由磁感應強度B

和加速電壓決定A應用回旋加速器帶電粒子在勻強磁場中運動勻速直線運動(v//B)勻速圓周運動(v⊥B)規(guī)律質(zhì)譜儀1.質(zhì)譜儀是一種測定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具，它的構造原理如圖，離子源S

產(chǎn)生的各種不同正離子束(速度可看作為零)，經(jīng)加速電場加速后垂直進入有界勻強磁場，到達記錄它的照相底片P上，設離子在P

上的位置到入口處S1的距離為x，可以判斷()A.若離子束是同位素，則x

越大，離子質(zhì)量越大B.若離子束是同位素，則x

越大，離子質(zhì)量越小C.只要

x相同，則離子質(zhì)量一定相同D.只要

x相同，則離子的比荷一定相同······