1、3.6 帶電粒子在 勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),第三章 磁場(chǎng),物理 選修3-1,第一課時(shí),一、洛倫茲力的作用效果,（1）不改變速度大小只改變速度方向 （2）始終不做功,方向總是垂直B與V,(對(duì)勻強(qiáng)磁場(chǎng)和非勻強(qiáng)磁場(chǎng)都成立）,先研究最簡(jiǎn)單的只受洛倫茲力,在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),二、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),說明:,1、理論推導(dǎo),勻速直線運(yùn)動(dòng),（1）洛倫茲力的方向與速度方向的關(guān)系,（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？,（3）洛倫茲力如何變化？,（4）從上面的分析，你認(rèn)為垂直于勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向射入的帶電粒子，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何？,垂直,不變,大小不變，方向在不斷變化,勻速圓周運(yùn)動(dòng),一、

2、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),1、理論推導(dǎo),沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入磁場(chǎng)的帶電粒子，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),（1）受力：僅受洛倫茲力,（2）運(yùn)動(dòng)性質(zhì)：勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供做向心力,2、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：,工作原理： (1)由電子槍發(fā)出的電子射線可以使管內(nèi)的低壓水銀蒸汽發(fā)出輝光，顯示出電子的徑跡。,(2)兩個(gè)平行的通電環(huán)形線圈可產(chǎn)生沿軸線方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)大小可通過電流大小調(diào)節(jié)，磁場(chǎng)方向通過電流方向調(diào)節(jié)。,洛倫茲力演示儀,結(jié)論： 帶電粒子垂直進(jìn)入磁場(chǎng)中，粒子在垂直磁場(chǎng)方向的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，此洛倫茲力不做功。,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在暗室中可以清楚地看到，在沒有磁場(chǎng)作用時(shí)，電子的徑跡是直線；在管外加上

3、勻強(qiáng)磁場(chǎng)，電子的徑跡變彎曲成圓形。,問題3：,一帶電量q，質(zhì)量m，速度v的帶電粒子垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，其半徑r和周期T為多大？,a、向心力的來源?,b、動(dòng)力學(xué)方程,半徑和周期公式,【例1】質(zhì)子和粒子從靜止開始經(jīng)相同電壓加速后垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)作圓周運(yùn)動(dòng)（磁場(chǎng)足夠大，做完整的圓周） 求：(1)這兩粒子的動(dòng)能之比Ek1Ek2 (2)軌道半徑之比r1r2 (3)周期之比T1T2,12,12,【例2】一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子,從容器下方的小孔S1飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng),其初速度幾乎為零,然后經(jīng)過S3沿著與磁場(chǎng)方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,最后打到照相底片D上. (1)求

4、粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率 (2)求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑,D,A,U,S1,S2,S3,B,S1、S2為加速電場(chǎng)，P1、P2之間則為速度選擇器,之后進(jìn)入磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)。,V,+,f,F電,F電,f,二、質(zhì)譜儀,質(zhì)譜儀介紹： 質(zhì)譜儀是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計(jì)的。他用質(zhì)譜儀首先得到了氖-20和氖-22的質(zhì)譜線，證實(shí)了同位素的存在。 用途： 經(jīng)過多次改進(jìn)，質(zhì)譜儀已經(jīng)成了一種十分精密的儀器，是測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具。,練習(xí)： 1、勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有兩個(gè)電子分別以速率v和2v沿垂直于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，哪個(gè)電子先回到原來的出發(fā)點(diǎn)？ 解因?yàn)殡娮釉趧驈?qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)周期和電子的速率無關(guān)，所以兩個(gè)電子同時(shí)回到

5、原來的出發(fā)點(diǎn)。 2、質(zhì)子和一價(jià)鈉離子分別垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如果它們的圓運(yùn)動(dòng)半徑恰好相等，這說明它們?cè)趧傔M(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)（ ） A、速率相等 B、mv大小相等 C、動(dòng)能相等 D、質(zhì)量相等,B,【問題】要認(rèn)識(shí)原子核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，必須打開原子核。然而，原子核被強(qiáng)大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為“炮彈”去轟擊，才能打開。這就需要把粒子加速。用什么方法可以加速帶電粒子呢?,利用電場(chǎng)加速器,可以獲得的動(dòng)能: Ek=1/2mv2=qU,【改進(jìn)】或許可以多加幾個(gè)電場(chǎng)來對(duì)粒子進(jìn)行加速呢?多級(jí)加速器（直線加速器）,1932年,美國物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器,1939年因?yàn)榇隧?xiàng)發(fā)明還獲得了諾貝

6、爾物理學(xué)獎(jiǎng).,【改進(jìn)】能否帶電粒子在一次加速后轉(zhuǎn)回來第二次再加速？往復(fù)轉(zhuǎn)圈加速，加速器的占地空間將大為縮減。,組成: 兩個(gè)D形盒 大型電磁鐵 高頻交流電源 電場(chǎng)作用： 用來加速帶電粒子 磁場(chǎng)作用： 用來使粒子回旋從而能被反復(fù)加速,產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng),產(chǎn)生加速電場(chǎng),實(shí)物立體圖,過程簡(jiǎn)圖,從靜止開始，在加速電場(chǎng)中加速,第一次經(jīng)過偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)半周后離開,離開磁場(chǎng)時(shí)，加速電場(chǎng)的極性剛好反轉(zhuǎn)，使進(jìn)入電場(chǎng)后，再一次被加速,第二次進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)半周后離開,離開磁場(chǎng)時(shí)，加速電場(chǎng)的極性剛好又反轉(zhuǎn)，使進(jìn)入電場(chǎng)后，第三次被加速,動(dòng)態(tài)模擬：回旋加速器原理,原理,用磁場(chǎng)控制軌道、用電場(chǎng)進(jìn)行加速,問題1：隨著加速，v不斷增

7、大,粒子每次在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期T是否也增加？,問題3：粒子是否能被加速到速度無限大？,【思考討論】,提示：當(dāng)粒子不斷加速， 每次進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的初速度要增大，此時(shí)在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的半徑要增加。當(dāng)半徑等于D形盒的半徑時(shí)，將射出勻強(qiáng)磁場(chǎng)。此時(shí)半徑達(dá)到最大，速度也大最大。,問題2：為保證粒子每次經(jīng)過電場(chǎng)時(shí)都能被加速，電場(chǎng)變化的周期T電應(yīng)該如何控制？,1、交變電場(chǎng)的周期,2、粒子最后射出回旋加速器的速度（動(dòng)能）大小由盒的半徑?jīng)Q定。,結(jié)論：,等于粒子勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期,與加速電壓無關(guān)！,回旋加速器 優(yōu)點(diǎn)： 體積小,缺點(diǎn)：帶電粒子的能量不能很高,我國1989年投入運(yùn)行的高能粒子加速器北京正負(fù)離子對(duì)撞機(jī),

8、全長(zhǎng)200多米的直線加速器.它可使粒子的能量高達(dá)28億電子伏特,直線加速器 優(yōu)點(diǎn):可以獲得相當(dāng)高能量的粒子,缺點(diǎn):占地面積太大,【例3 】回旋加速器中，已知加速電壓為U，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，D形盒的直徑為d，用該回旋加速器加速質(zhì)量為m、電量為q的粒子，設(shè)粒子加速前的初速度為零。粒子在加速電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間忽略不計(jì)。求：,（1）粒子的圓周運(yùn)動(dòng)周期T,（2）交變電流的周期T電,（3）粒子的最大動(dòng)能EKmax,（4）粒子被加速的次數(shù)n 及在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的 總時(shí)間t總,思考與討論,若帶電粒子進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，速度與磁場(chǎng)方向成角（090）.則帶電粒子怎樣運(yùn)動(dòng)？,3、 一束幾種不同的正離子, 垂直射入有正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域里, 離子束保持原