云南省德宏州梁河縣第一中學高中物理選修3-1教學課件：3.6 帶電粒子在勻強磁場中的運動[數(shù)理化網(wǎng)]

1、人教版選修人教版選修3-1第三章第三章 磁磁 場場 第六節(jié)第六節(jié) 帶電粒子在勻強磁場中的運動亥姆霍茲線圈亥姆霍茲線圈電電 子子 槍槍磁場強弱選擇擋磁場強弱選擇擋加速電壓加速電壓選擇擋選擇擋洛倫茲力演示器洛倫茲力演示器一一. .帶電粒子在勻強磁場中的運動帶電粒子在勻強磁場中的運動 當帶電粒子當帶電粒子q q以速度以速度v v垂直進入勻強磁場垂直進入勻強磁場中，它將做什么運動中，它將做什么運動? ? 帶電粒子將在垂直于磁場的平面帶電粒子將在垂直于磁場的平面內(nèi)做勻速圓周運動內(nèi)做勻速圓周運動 。rvmBqv2Bqmvr 速度大小不變，而方向隨時間變化。速度大小不變，而方向隨時間變化。 BqmvrT22

2、周期周期T T與運動速度及運動半徑無關。與運動速度及運動半徑無關。 通過威通過威爾遜云室顯爾遜云室顯示的正負電示的正負電子在勻強磁子在勻強磁場中的運動場中的運動徑跡徑跡 通過格通過格雷塞爾氣雷塞爾氣泡室顯示泡室顯示的帶電粒的帶電粒子在勻強子在勻強磁場中的磁場中的運動徑跡運動徑跡例題：一個質(zhì)量為例題：一個質(zhì)量為m m、電荷量為的粒子，從容器、電荷量為的粒子，從容器下方的小孔下方的小孔S S1 1飄入電勢差為的加速電場，然后飄入電勢差為的加速電場，然后經(jīng)過經(jīng)過S S3 3沿著與磁場垂直的方向進入磁感應強度為沿著與磁場垂直的方向進入磁感應強度為的勻強磁場中，最后打到照相底片上求：的勻強磁場中，最后打

3、到照相底片上求：（）求粒子進入磁場時的速率（）求粒子進入磁場時的速率（）求粒子在磁場中運動的軌道半徑（）求粒子在磁場中運動的軌道半徑質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀原理分析原理分析1 1、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、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 2、基本原理、基本原理將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒子經(jīng)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，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進而分析某元素中所含同位素的種類3、推導推導212qUm

4、v加速：12mvRdqB偏轉：1122mURdBq1 1加速原理：利用加速電場對帶電粒子做正功加速原理：利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電粒子的動能增加，使帶電粒子的動能增加，qU=qU= E Ek k2 2直線加速器，多級加速直線加速器，多級加速如圖所示是多級加速裝置的原理圖：如圖所示是多級加速裝置的原理圖：加速器加速器 由動能定理得帶電粒子經(jīng)由動能定理得帶電粒子經(jīng)n n極的電場加速后極的電場加速后增加的動能為：增加的動能為：)(321nkUUUUqE 3 3直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間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范圍內(nèi)制造直線加速器

5、受到一定的限制二、回旋加速器 1 119321932年美國物理學家勞倫斯發(fā)明了回旋加速年美國物理學家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)進行多級加器，實現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)進行多級加速速2 2工作原理：利用電場對帶電粒子的加速作用工作原理：利用電場對帶電粒子的加速作用和磁場對運動電荷的偏轉作用來獲得高能粒子，和磁場對運動電荷的偏轉作用來獲得高能粒子，這些過程在回旋加速器的核心部件這些過程在回旋加速器的核心部件兩個兩個D D形盒和其間的窄縫內(nèi)完成。形盒和其間的窄縫內(nèi)完成。 19311931年，加利福尼亞大學的勞倫斯斯提出了一個卓越的思年，加利福尼亞大學的勞倫斯斯提出了一個卓越的思想

6、，通過磁場的作用迫使帶電粒子沿著磁極之間做螺旋線運想，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，第一臺直徑為一臺直徑為27cm27cm的回旋加速器投入運行，它能將質(zhì)子加速到的回旋加速器投入運行，它能將質(zhì)子加速到1Mev1Mev。19391939年勞倫斯獲諾貝爾物理獎。年勞倫斯獲諾貝爾物理獎。U二、回旋加速器二、回旋加速器（1 1）磁場的作用：帶電粒子以某一速度垂直磁場方向進）磁場的作用：帶電粒子以某一速度垂直磁場方向進入勻強磁場后，并在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，入勻強磁場后，并

7、在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，其周期和速率、半徑均無關，帶電粒子每次進入其周期和速率、半徑均無關，帶電粒子每次進入D D形盒形盒都運動相等的時間（半個周期）后平行電場方向進入電都運動相等的時間（半個周期）后平行電場方向進入電場中加速場中加速（2 2）電場的作用：回旋加速器的兩個）電場的作用：回旋加速器的兩個D D形盒之間的窄縫區(qū)形盒之間的窄縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩域存在周期性變化的并垂直于兩D D形盒正對截面的勻強形盒正對截面的勻強電場，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時被加速電場，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時被加速（3 3）交變電壓：為了保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫時都被）交變電壓：為了保證帶電粒子每次經(jīng)過

8、窄縫時都被加速，使之能量不斷提高，須在窄縫兩側加上跟帶電粒加速，使之能量不斷提高，須在窄縫兩側加上跟帶電粒子在子在D D形盒中運動周期相同的交變電壓形盒中運動周期相同的交變電壓帶電粒子的最終能量 當帶電粒子的速度最大時，其運動半徑也最當帶電粒子的速度最大時，其運動半徑也最大，由大，由r=mv/qBr=mv/qB得得v= rqB/mv= rqB/m，若，若D D形盒的半徑為形盒的半徑為R R，則帶電粒子的最終動能：，則帶電粒子的最終動能：mRBqEm2222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？解析：加速電壓越高，帶電粒子每次加速的動能增解析：加速電壓越高，帶電粒子每次加速的

9、動能增量越大，回旋半徑也增加越多，導致帶電粒子在量越大，回旋半徑也增加越多，導致帶電粒子在D D形形盒中的回旋次數(shù)越少；反之，加速電壓越低，粒子在盒中的回旋次數(shù)越少；反之，加速電壓越低，粒子在D D形盒中回旋的次數(shù)越多，可見加速電壓的高低只影形盒中回旋的次數(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，由相應的動能，由 mRBqEm2222小結： 回旋加速器利用兩回旋加速器利用兩D D形盒窄縫間的電形盒窄縫間的電場使帶電粒子加速，利用場使帶電粒子加速，利用D D形盒內(nèi)的磁形盒內(nèi)的磁場使帶電粒子偏轉，帶電粒子所能獲得場使帶電粒子偏轉，帶電粒子所能獲得的最終能量與的最終能量與B B和和R R有關，與有關，與U U無關無關 如果盡量增強回旋加速器如果盡量增強回旋加速器的磁場或加大的磁場或加大D D形盒半徑，我形盒半徑，我們是不是就可以使帶電粒子們是不是就可以使帶電粒子獲得任意高的能量嗎？獲得任意高的能量嗎？ 思考思考本課小結：本課小結：一、帶電粒子在磁場中的運動一、帶電粒子在磁場中的運動平行磁感線進入：做勻速直線運動平行磁感線進入：做勻速直線運動垂直磁感線進入：做勻速圓周運動垂直磁感線進入：做勻速圓周運動半徑：半徑：RmvqB周期：