帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)1

1、+Bf B 帶電粒子在勻強(qiáng)用場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡 vBqf=洛洛rvm2r=vqBmvrTp pp p22=r=v-ev2v-eveBmvr 軌道半徑與粒子射入軌道半徑與粒子射入的速度成正比。的速度成正比。O1 2 3V解析：因解析：因 r3 r2 r1r=vqBmvrTp pp p22=r=vmq2vqUmv21S S221U 可得：可得：間，電場(chǎng)力做功獲得能間，電場(chǎng)力做功獲得能在在qmU2B1rvqmvrrvmqv,v2 可得：可得：代入代入洛侖茲力提供向心力洛侖茲力提供向心力垂直進(jìn)入磁場(chǎng)垂直進(jìn)入磁場(chǎng)以速度以速度BB 可見(jiàn)半徑不同可見(jiàn)半徑不同意味著比荷不同，意味著比荷不同，意味著它們是不同意味著它

2、們是不同的粒子的粒子這就是質(zhì)譜儀的工作原理這就是質(zhì)譜儀的工作原理?xiàng)l件：條件：BV F洛洛RvBqf=洛洛Rvm2R=vqBmvRTp pp p22=Ttp2qBmTp2301.1.圓心在哪里圓心在哪里? ?2.2.軌跡半徑是多少軌跡半徑是多少? ?OBdv 例：例：r=d/sin 3030o o =2d=2d r=mv/qBt=（ 3030o o /360360o o）T=T= T/12T=2 m/qBT=2 r/v小結(jié)：小結(jié)：rt/T= 3030o o /360360o oA=30vqvB=mvqvB=mv2 2/r/rt=T/12= m/6qB3、偏轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角=圓心角圓心角1、兩洛倫、兩

3、洛倫力的交點(diǎn)即圓心力的交點(diǎn)即圓心2、偏轉(zhuǎn)角：初末速度的夾角。、偏轉(zhuǎn)角：初末速度的夾角。4.4.穿透磁場(chǎng)的時(shí)間如何求？穿透磁場(chǎng)的時(shí)間如何求？3 3、圓心角、圓心角 =? =? t=T/12= d/3vt=T/12= d/3vm=qBr/v=2qdB/vm=qBr/v=2qdB/vff入射角入射角300時(shí)時(shí)qBmqBmt3261pp1 1、兩個(gè)對(duì)稱規(guī)律：、兩個(gè)對(duì)稱規(guī)律：rR6030o30rR30336vrTtpr/R=sin30例題講解例題講解r r1 1V V0 0P PM MO OV V 30Bdv300dr2rvmqvB2vqBdm2vdqBmTpp42vdvdTt341213603000p

4、p Be v0dB y x oBv v a O/ 3V0PMOVVPMO一、質(zhì)譜儀一、質(zhì)譜儀原理分析原理分析1 1、質(zhì)譜儀、質(zhì)譜儀: :是測(cè)量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具是測(cè)量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具2、工作原理、工作原理將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒子經(jīng)同一將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒子經(jīng)同一電場(chǎng)加速電場(chǎng)加速再垂直進(jìn)入同一再垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)，由于粒子質(zhì)量不同，由于粒子質(zhì)量不同，引起軌跡半徑不同而分開(kāi)，進(jìn)而分析某元素中所含同位素引起軌跡半徑不同而分開(kāi)，進(jìn)而分析某元素中所含同位素的種類的種類質(zhì)譜儀的兩種裝置質(zhì)譜儀的兩種裝置帶電粒子質(zhì)量帶電粒子質(zhì)量m,電荷量電荷量q,

5、由電壓由電壓U加速后垂直進(jìn)加速后垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的勻強(qiáng)磁場(chǎng),設(shè)軌道半徑設(shè)軌道半徑為為r,則有：則有：NUOMB221mvqU rmvqvB2 可得可得222rBUmq 帶電粒子質(zhì)量帶電粒子質(zhì)量m,電荷量電荷量q,以速度以速度v穿過(guò)速度選擇穿過(guò)速度選擇器器(電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度E，磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度B1),垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為度為B2的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的勻強(qiáng)磁場(chǎng).設(shè)軌道半徑為設(shè)軌道半徑為r,則有：則有：MB2EB1NqE=qvB1rmvqvB22 可得：可得：rBBEmq11 均可測(cè)定荷質(zhì)比均可測(cè)定荷質(zhì)比1.1.加速器的種類有哪些加速器的種類有哪些? ?2.

6、2.各自是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)帶電粒子加速的各自是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)帶電粒子加速的? ?3.3.各有什么優(yōu)缺點(diǎn)各有什么優(yōu)缺點(diǎn)? ?閱讀課本P101 思考下列問(wèn)題思考下列問(wèn)題1 1加速原理：加速原理： 利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正功使利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正功使 帶電粒子的動(dòng)能增加。帶電粒子的動(dòng)能增加。二二. .加速器加速器qUmv212 +U+2 2直線加速器（多級(jí)加速）直線加速器（多級(jí)加速） 如圖所示是多級(jí)加速裝置的原理圖：如圖所示是多級(jí)加速裝置的原理圖：二二. .加速器加速器直線加速器直線加速器粒子在每個(gè)加速電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等，粒子在每個(gè)加速電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等，因?yàn)榻蛔冸妷旱淖兓芷谙嗤驗(yàn)榻蛔冸妷旱淖?/p>

7、化周期相同多級(jí)直線加速器有什么缺點(diǎn)？多級(jí)直線加速器有什么缺點(diǎn)？美國(guó)美國(guó)斯坦福大學(xué)的加速器斯坦福大學(xué)的加速器斯坦福大學(xué)的加速器斯坦福大學(xué)的加速器直線加速器直線加速器 利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正功功,使帶電的粒子動(dòng)能增加，使帶電的粒子動(dòng)能增加，即即 qU =Ek直線加速器的多級(jí)加速：直線加速器的多級(jí)加速： 教材圖教材圖3.6-5所示的是多級(jí)所示的是多級(jí)加速裝置的原理圖，由動(dòng)能定理可知，帶電粒加速裝置的原理圖，由動(dòng)能定理可知，帶電粒子經(jīng)子經(jīng)n級(jí)的電場(chǎng)加速后增加的動(dòng)能，級(jí)的電場(chǎng)加速后增加的動(dòng)能， Ek=q（U1+U2+U3+U4+Un）直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空直

8、線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。間內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。P1圖圖3.6-5多級(jí)加速器多級(jí)加速器P2P3P4P5P6一級(jí)一級(jí)二級(jí)二級(jí)三級(jí)三級(jí)n級(jí)級(jí)加速原理：加速原理：1932年年,美國(guó)物理學(xué)家勞侖斯發(fā)明了美國(guó)物理學(xué)家勞侖斯發(fā)明了從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進(jìn)了從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進(jìn)了一大步為此，勞侖斯榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一大步為此，勞侖斯榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)回旋加速器回旋加速器1 1、作用：產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)的粒子、作用：產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)的粒子2 2、原理、原理 用磁場(chǎng)控制軌道、用電場(chǎng)進(jìn)行加速用磁場(chǎng)控制軌道、用電場(chǎng)進(jìn)行加速+-

9、 +-不變無(wú)關(guān)、與TrvqBmTp22DqBmv mqBDv2 2DqBmv 221mvEK mDBqEK8222 D越大，越大，EK越大，是不是只要越大，是不是只要D不斷增大，不斷增大， EK 就可以無(wú)限制增大呢就可以無(wú)限制增大呢?mDBqEK82222.交變電場(chǎng)的周期和粒子的運(yùn)動(dòng)周期交變電場(chǎng)的周期和粒子的運(yùn)動(dòng)周期 T相同相同-保證粒子每次經(jīng)過(guò)交變保證粒子每次經(jīng)過(guò)交變 電場(chǎng)時(shí)都被加速電場(chǎng)時(shí)都被加速1. 粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)周期不變粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)周期不變 qBmTp23.帶電粒子每經(jīng)電場(chǎng)加速一次帶電粒子每經(jīng)電場(chǎng)加速一次,回旋半徑回旋半徑 就增大一次就增大一次,每次增加的動(dòng)能為每次增加

10、的動(dòng)能為qUEK4.粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定周期與速度和軌道半徑無(wú)關(guān)周期與速度和軌道半徑無(wú)關(guān)帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期公式帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期公式 ,qBmT2 帶電粒子的周期在帶電粒子的周期在q、m、B不變的情況下與速度不變的情況下與速度和軌道半徑無(wú)關(guān)。和軌道半徑無(wú)關(guān)。 因而圓運(yùn)動(dòng)周長(zhǎng)因而圓運(yùn)動(dòng)周長(zhǎng) qBmvr22 也將與也將與v成正比例地增大，成正比例地增大， 如果其他因素如果其他因素(q、m、B)不變不變, 則當(dāng)速率則當(dāng)速率v加大時(shí)加大時(shí),qBmvr 得知圓運(yùn)動(dòng)半徑將與得知圓運(yùn)動(dòng)半徑將與v成正比例地增大成正比例地增大,由由因此運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)

11、間（周期）仍將保持原值。因此運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間（周期）仍將保持原值。 最終能量最終能量粒子運(yùn)動(dòng)半徑最大為粒子運(yùn)動(dòng)半徑最大為D形盒的半徑形盒的半徑R帶電粒子經(jīng)加速后的最終能量：帶電粒子經(jīng)加速后的最終能量：由由qBmvR 有有 ,mqBRv 所以最終能量為所以最終能量為 mqRBmvEk2212222 討論：要提高帶電粒子的最終能量，應(yīng)采取什討論：要提高帶電粒子的最終能量，應(yīng)采取什么措施？么措施？ 回旋加速器加速的帶電粒子回旋加速器加速的帶電粒子, 能量達(dá)到能量達(dá)到25 MeV 30 MeV后，就很難再加速了。后，就很難再加速了。1. 在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng),周期不變周期不變2. 每一個(gè)

12、周期加速兩次每一個(gè)周期加速兩次3. 電場(chǎng)的周期與粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)周期相電場(chǎng)的周期與粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)周期相同同4. 電場(chǎng)一個(gè)周期中方向變化兩次電場(chǎng)一個(gè)周期中方向變化兩次5. 粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定6. 電場(chǎng)加速過(guò)程中電場(chǎng)加速過(guò)程中,時(shí)間極短時(shí)間極短,可忽略可忽略結(jié)論結(jié)論.關(guān)于回旋加速器的工作原理，下列說(shuō)法正確的是：關(guān)于回旋加速器的工作原理，下列說(shuō)法正確的是：A、電場(chǎng)用來(lái)加速帶電粒子，磁場(chǎng)則使帶電粒子回旋、電場(chǎng)用來(lái)加速帶電粒子，磁場(chǎng)則使帶電粒子回旋B、電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)用來(lái)加速帶電粒子、電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)用來(lái)加速帶電粒子C、同一加速器，對(duì)某種確定的粒子

13、，它獲得的最大、同一加速器，對(duì)某種確定的粒子，它獲得的最大動(dòng)能由加速電壓決定動(dòng)能由加速電壓決定D、同一加速器，對(duì)某種確定的粒子，它獲得的最大、同一加速器，對(duì)某種確定的粒子，它獲得的最大動(dòng)能由磁感應(yīng)強(qiáng)度動(dòng)能由磁感應(yīng)強(qiáng)度B決定和加速電壓決定決定和加速電壓決定(A)06年廣東東莞中學(xué)高考模擬試題年廣東東莞中學(xué)高考模擬試題88回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電兩極相連接的兩個(gè)是分別與高頻交流電兩極相連接的兩個(gè)D形金屬盒，形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的勻強(qiáng)電場(chǎng)，使粒兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的勻強(qiáng)電場(chǎng)，使粒子在通過(guò)狹縫時(shí)

14、都能得到加速兩子在通過(guò)狹縫時(shí)都能得到加速兩D形金屬盒處于垂形金屬盒處于垂直于盒底面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示，設(shè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的直于盒底面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示，設(shè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，D形金屬盒的半徑為形金屬盒的半徑為R，狹縫間的距，狹縫間的距離為離為d，勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓為，勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓為U，要增大帶電粒子，要增大帶電粒子（電荷量為（電荷量為q質(zhì)量為質(zhì)量為m，不計(jì)重力）射出時(shí)的動(dòng)能，則，不計(jì)重力）射出時(shí)的動(dòng)能，則下列方法中正確的是：下列方法中正確的是： ( )A增大勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓增大勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓 B減小狹縫間的距離減小狹縫間的距離C增大磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大磁場(chǎng)

15、的磁感應(yīng)強(qiáng)度 D增大增大D形金屬盒的半徑形金屬盒的半徑dRBU解：解：qBmvR mqBRv m)qBR(mvEk22122 C D北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)：撞出物質(zhì)奧秘北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)：撞出物質(zhì)奧秘 大科學(xué)裝置的存在和應(yīng)用水大科學(xué)裝置的存在和應(yīng)用水平，是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的平，是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的具象。它如同一塊巨大的磁鐵，具象。它如同一塊巨大的磁鐵，能夠集聚智慧，構(gòu)成一個(gè)多學(xué)科能夠集聚智慧，構(gòu)成一個(gè)多學(xué)科陣地。作為典型的大科學(xué)裝置，陣地。作為典型的大科學(xué)裝置，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的重大改造北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的重大改造工程就是要再添磁力。工程就是要再添磁力。 北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)在我國(guó)大科學(xué)裝

16、置工程中赫赫有名，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)在我國(guó)大科學(xué)裝置工程中赫赫有名，為示范之作。為示范之作。1988年年10月月16日凌晨實(shí)現(xiàn)第一次對(duì)撞時(shí)，曾被日凌晨實(shí)現(xiàn)第一次對(duì)撞時(shí)，曾被形容為形容為“我國(guó)繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后，我國(guó)繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后，在高科技領(lǐng)域又一重大突破性成就在高科技領(lǐng)域又一重大突破性成就”。北京正負(fù)對(duì)撞機(jī)重大改。北京正負(fù)對(duì)撞機(jī)重大改造工程的實(shí)施，將讓這一大科學(xué)裝置造工程的實(shí)施，將讓這一大科學(xué)裝置“升級(jí)換代升級(jí)換代”，繼續(xù)立在，繼續(xù)立在國(guó)際高能物理的前端。國(guó)際高能物理的前端。 北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程完工后，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程完

17、工后，將成為世界上將成為世界上最先進(jìn)的雙環(huán)對(duì)撞機(jī)之一最先進(jìn)的雙環(huán)對(duì)撞機(jī)之一。 世界最大對(duì)撞機(jī)啟動(dòng)模擬宇宙大爆炸世界最大對(duì)撞機(jī)啟動(dòng)模擬宇宙大爆炸 中國(guó)參與研究中國(guó)參與研究 這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在深入地底這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在深入地底100米、長(zhǎng)達(dá)米、長(zhǎng)達(dá)27公里的環(huán)型隧道內(nèi)進(jìn)行。公里的環(huán)型隧道內(nèi)進(jìn)行?？茖W(xué)家預(yù)計(jì)，科學(xué)家預(yù)計(jì)，粒子互相撞擊時(shí)所產(chǎn)生的溫度，比太陽(yáng)溫度還要高粒子互相撞擊時(shí)所產(chǎn)生的溫度，比太陽(yáng)溫度還要高10萬(wàn)倍，就好比萬(wàn)倍，就好比137億年前宇億年前宇宙發(fā)生大爆炸時(shí)那一剎那的情況。宙發(fā)生大爆炸時(shí)那一剎那的情況。 在瑞士和法國(guó)邊界地在瑞士和法國(guó)邊界地區(qū)的地底實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，科學(xué)區(qū)的地底實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，科學(xué)家們正式展開(kāi)了被外界

18、形家們正式展開(kāi)了被外界形容為容為“末日實(shí)驗(yàn)?zāi)┤諏?shí)驗(yàn)”的備受的備受爭(zhēng)議的計(jì)劃。他們啟動(dòng)了爭(zhēng)議的計(jì)劃。他們啟動(dòng)了全球最大型的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)全球最大型的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)，把次原子的粒子把次原子的粒子運(yùn)行速度加快至接近光速運(yùn)行速度加快至接近光速，并將互相撞擊，模擬宇宙并將互相撞擊，模擬宇宙初開(kāi)初開(kāi)“大爆炸大爆炸”后的情況。后的情況。科學(xué)家希望借這次實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家希望借這次實(shí)驗(yàn)，有助解開(kāi)宇宙間部分謎團(tuán)。有助解開(kāi)宇宙間部分謎團(tuán)。但有人擔(dān)心，今次實(shí)驗(yàn)或但有人擔(dān)心，今次實(shí)驗(yàn)或會(huì)制造小型黑洞吞噬地球，會(huì)制造小型黑洞吞噬地球，令末日論流言四起。令末日論流言四起。四、霍爾效應(yīng)四、霍爾效應(yīng) 1879 1879年霍耳發(fā)現(xiàn)

19、，把一載流導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，如果磁場(chǎng)年霍耳發(fā)現(xiàn)，把一載流導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，如果磁場(chǎng)方向與電流方向垂直，則在與磁場(chǎng)和電流二者垂直的方向上方向與電流方向垂直，則在與磁場(chǎng)和電流二者垂直的方向上出現(xiàn)橫向電勢(shì)差，這一現(xiàn)象稱之為霍耳現(xiàn)象。出現(xiàn)橫向電勢(shì)差，這一現(xiàn)象稱之為霍耳現(xiàn)象。四、霍爾效應(yīng)四、霍爾效應(yīng)quBf 如圖，導(dǎo)電板高度為如圖，導(dǎo)電板高度為b b厚度為厚度為 d d放在垂直于它的磁場(chǎng)放在垂直于它的磁場(chǎng)B B中。中。當(dāng)有電流當(dāng)有電流I I通過(guò)它時(shí)，由于磁場(chǎng)使導(dǎo)體內(nèi)移動(dòng)的電荷發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過(guò)它時(shí)，由于磁場(chǎng)使導(dǎo)體內(nèi)移動(dòng)的電荷發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在結(jié)果在 A A、A A 兩側(cè)分別聚集了正、負(fù)電荷，在導(dǎo)電板的兩側(cè)分別聚集了正、負(fù)電荷，在導(dǎo)電板的A A、A A 兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差U U。設(shè)導(dǎo)電板內(nèi)運(yùn)動(dòng)電荷的平均定向速率為設(shè)導(dǎo)電板內(nèi)運(yùn)動(dòng)電荷的平均定向速率為u u，它們?cè)诖艌?chǎng)中受到的洛侖茲力為：，它們?cè)诖艌?chǎng)中受到的洛侖茲力為：當(dāng)導(dǎo)電板的當(dāng)導(dǎo)電板的A A、A A 兩側(cè)產(chǎn)生電勢(shì)差后，兩側(cè)產(chǎn)生電勢(shì)差后，運(yùn)動(dòng)電荷會(huì)受到電場(chǎng)力：運(yùn)動(dòng)電荷會(huì)受到電場(chǎng)力：qbUEqF導(dǎo)電板內(nèi)電流的微觀表達(dá)式為：導(dǎo)電板內(nèi)電流的微觀表達(dá)式為：ubdnqnqsuI)(由以上各式解得：由以上各式解得：dIBnqU1其中其中 叫叫霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)nqK1 例例1212、霍爾效應(yīng)可解釋