帶電粒子在磁場中的運動公開課201510

1、 李永暢李永暢復(fù)復(fù) 習(xí)：習(xí)：1 1、洛倫茲力的大小、洛倫茲力的大小2 2、洛倫茲力的方向及其特點、洛倫茲力的方向及其特點3 3、帶電粒子平行射入勻強磁場的運動狀態(tài)、帶電粒子平行射入勻強磁場的運動狀態(tài)？（重力不計）（重力不計）sinqvBf 左手定則左手定則洛倫茲力的方向既垂直于磁場，又垂直于速度，洛倫茲力的方向既垂直于磁場，又垂直于速度，即即垂垂若帶電粒子垂直射入勻強磁場的運動狀態(tài)若帶電粒子垂直射入勻強磁場的運動狀態(tài)？（重力不計）（重力不計）情景情景：帶電粒子帶電粒子垂直射入垂直射入勻勻強磁場（重力不計）強磁場（重力不計）對比思考：對比思考：帶電粒子帶電粒子垂直射入垂直射入勻勻強電場（重力不計

2、）強電場（重力不計）B+v軌跡：拋物線軌跡：拋物線F電電f f洛洛軌跡：？線軌跡：？線F洛洛F洛洛F洛洛F洛洛洛倫茲力總與速度方向垂直，不改變帶電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。粒子的速度大小，只改變速度方向。理論理論探究探究：理論分析：理論分析：洛侖茲力不改變速度大小洛侖茲力不改變速度大小做勻速圓周運動物體做勻速圓周運動物體（指向圓心）（指向圓心）合力提供向心力。合力提供向心力。帶電粒子帶電粒子（重力不計）（重力不計）垂直射入勻強磁場垂直射入勻強磁場, ,帶電粒子帶電粒子（重力不計）（重力不計）垂直射入垂直射入勻強磁場勻強磁場, ,做勻速圓周運動做勻速圓周

3、運動 帶電粒子在勻強磁場中做勻速帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的圓半徑圓周運動的圓半徑r和運動周期和運動周期T，與粒子的速，與粒子的速度度v和磁感應(yīng)強度和磁感應(yīng)強度B有什么關(guān)系？有什么關(guān)系？思考與討論：思考與討論：1 1）圓周運動的半徑）圓周運動的半徑2 2）圓周運動的周期）圓周運動的周期rvmqvB2qBmvr vrT2qBmT2比荷mq一、洛倫茲力演示儀一、洛倫茲力演示儀（1 1）不加磁場時觀察電子束的徑跡）不加磁場時觀察電子束的徑跡. .（2 2）給勵磁線圈通電，觀察電子束的徑跡）給勵磁線圈通電，觀察電子束的徑跡. .F沿著與磁場垂直的方向射沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在

4、勻入磁場的帶電粒子，在勻強磁場中做強磁場中做圓周圓周運動。運動。且圓周的半徑與且圓周的半徑與B B、v v有關(guān)。有關(guān)。V不變，不變，B增大，增大，r變小變小B不變，不變，V增大，增大，r變大變大1 1、一個帶電粒子沿垂直于磁場方向射入一勻強、一個帶電粒子沿垂直于磁場方向射入一勻強磁場，粒子的一段運動徑跡如圖所示，徑跡磁場，粒子的一段運動徑跡如圖所示，徑跡上每一小段可近似看成圓弧，由于帶電粒子上每一小段可近似看成圓弧，由于帶電粒子的運動使沿途的空氣電離，的運動使沿途的空氣電離，粒子的動能逐漸粒子的動能逐漸減小減?。娏坎蛔儯瑥膱D中情況可以確定（電量不變），從圖中情況可以確定（ ）課堂練習(xí)課堂練

5、習(xí) ： b b。a a。A A、粒子從、粒子從a a到到b b，帶正電，帶正電、粒子從、粒子從b b到到a a，帶正電，帶正電、粒子從、粒子從a a到到b b，帶負電，帶負電、粒子從、粒子從b b到到a a，帶負電，帶負電+_“氣泡室氣泡室”照片照片在粒子物理學(xué)的研究中，可以讓粒子通過云室氣在粒子物理學(xué)的研究中，可以讓粒子通過云室氣泡室等裝置，顯示它們的軌跡泡室等裝置，顯示它們的軌跡“室室”照片照片vqBmvr 2.2.同一條徑跡上為什么曲率半徑會越來越小呢？同一條徑跡上為什么曲率半徑會越來越小呢？1 1、不同帶電粒子的偏轉(zhuǎn)軌跡為什么不一樣？、不同帶電粒子的偏轉(zhuǎn)軌跡為什么不一樣？能否從氣泡室中

6、帶電粒子的徑跡得到啟能否從氣泡室中帶電粒子的徑跡得到啟發(fā)設(shè)計一個儀器，將比荷不同、初速度發(fā)設(shè)計一個儀器，將比荷不同、初速度幾乎為零帶電粒子分開？幾乎為零帶電粒子分開？思思 考：考：設(shè)計方案設(shè)計方案：設(shè)一個質(zhì)量為：設(shè)一個質(zhì)量為m m、電荷量為、電荷量為q q的粒子的粒子, ,從從容器下方的小孔容器下方的小孔S S1 1飄入電勢差為飄入電勢差為U U的加速電場的加速電場, ,其初速度其初速度幾乎為零幾乎為零, ,然后經(jīng)過然后經(jīng)過S S3 3沿著與磁場垂直的方向進入磁感沿著與磁場垂直的方向進入磁感應(yīng)強度為應(yīng)強度為B B的勻強磁場中的勻強磁場中, ,最后打到照相底片最后打到照相底片D D上上. .求：

7、求：(1)(1)求粒子進入磁場時的速率求粒子進入磁場時的速率(2)(2)求粒子在磁場中運動求粒子在磁場中運動的軌道半徑的軌道半徑二、質(zhì)譜儀二、質(zhì)譜儀加速電場：使帶電粒子加速加速電場：使帶電粒子加速qUmv 221mqUv2rmvqvB2偏轉(zhuǎn)磁場區(qū)：使帶電粒子軌偏轉(zhuǎn)磁場區(qū)：使帶電粒子軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并被拍照跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并被拍照qmUBqBmvr21222BrUmqUqBrm222精密測量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素精密測量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素（測荷質(zhì)比）的儀器（測荷質(zhì)比）的儀器 結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)與原理發(fā)明者：阿斯頓發(fā)明者：阿斯頓（湯姆生的學(xué)生湯姆生的學(xué)生 ）二、質(zhì)譜儀二、質(zhì)譜儀EqqvB 11BEv

8、 2qBmvr rmvqvB2rBBEmq21（速度選擇器）：32 . 2SS)( . 121加速電場SS)( . 33勻強磁場下方SB1E要想儀器更準(zhǔn)確，要想儀器更準(zhǔn)確，可再做怎樣的變化？可再做怎樣的變化？21BqBmEr 若粒子從若粒子從S3進入磁場進入磁場的速度相等，則半徑的速度相等，則半徑就只與比荷有關(guān)。就只與比荷有關(guān)。二、質(zhì)譜儀二、質(zhì)譜儀問題問題5 5：如何獲得高能粒子？如何獲得高能粒子？ 2q三、加速器三、加速器三、加速器三、加速器三、回旋加速器三、回旋加速器勞倫斯勞倫斯 19321932年，加利福尼亞大學(xué)的勞年，加利福尼亞大學(xué)的勞 倫斯提出了一個卓越的思想，通倫斯提出了一個卓越的

9、思想，通 過磁場的作用迫使帶電粒子沿著過磁場的作用迫使帶電粒子沿著 磁極之間做螺旋線運動磁極之間做螺旋線運動, ,把長長把長長 的電極像卷尺那樣卷起來，發(fā)明的電極像卷尺那樣卷起來，發(fā)明 了回旋加速器，第一臺直徑為了回旋加速器，第一臺直徑為27cm27cm的回旋的回旋 回速器投入運行，它能將質(zhì)子回速器投入運行，它能將質(zhì)子 加速到加速到1Mev1Mev。1M=101M=106 6eV eV 1939年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎三、回旋加速器三、回旋加速器問題問題6 6：粒子在磁場中運動周期變化嗎？粒子在磁場中運動周期變化嗎？電源的正負極經(jīng)過多長時間改變方向一次？電源的正負極經(jīng)過多長時間改變方向一次

10、？（設(shè)兩個（設(shè)兩個D D型盒間距型盒間距很小，其運動時間可忽略）很小，其運動時間可忽略）問題問題7 7：電源的正負極變化周期與粒子的運動周期有什么關(guān)系：電源的正負極變化周期與粒子的運動周期有什么關(guān)系？（設(shè)兩個（設(shè)兩個D D型盒間距很小，其運動時間可忽略）型盒間距很小，其運動時間可忽略）三、回旋加速器三、回旋加速器帶電粒子在勻強磁場中運動帶電粒子在勻強磁場中運動v/B勻速直線運動勻速直線運動vB勻速圓周運動運動勻速圓周運動運動2 mTqB應(yīng)用應(yīng)用規(guī)律規(guī)律回旋加速器回旋加速器質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀qBmvr V與與B成成角角 (0,90) Bv0 課堂小結(jié)課堂小結(jié)1、如圖，一束具有各種速率的帶一個正元電荷的兩種銅離子如圖，一束具有各種速率的帶一個正元電荷的兩種銅離子質(zhì)量分別為質(zhì)量分別為m m1 1和和m m2 ,2 ,水平地經(jīng)小孔水平地經(jīng)小孔S S進入有互相垂直的勻強電進入有互相垂直的勻強電場和勻強磁場的區(qū)域，其中磁場、電場方向如圖，只有那些場和勻強磁場的區(qū)域，其中磁場、電場方向如圖，只有那些路徑不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的離子才能通過另一小孔進入勻強磁場中，路徑不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的離子才能通過另一小孔進入勻強磁場