物理：第6節(jié)-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)-課件

第六節(jié)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)第六節(jié)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)課標(biāo)定位學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.掌握洛倫茲力對(duì)帶電粒子不做功的特點(diǎn)．2．掌握帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡．3．了解回旋加速器的原理．重點(diǎn)難點(diǎn)：帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的受力分析及運(yùn)動(dòng)軌跡確定．課標(biāo)定位學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.掌握洛倫茲力對(duì)帶電粒子不做功的特點(diǎn)．一、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)1．運(yùn)動(dòng)規(guī)律(1)帶電粒子平行于磁場(chǎng)方向射入時(shí)，做_________運(yùn)動(dòng)．(2)帶電粒子垂直于磁場(chǎng)方向射入時(shí)，由于洛倫茲力總與速度方向垂直，起到向心力的作用，所以帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做___________運(yùn)動(dòng)．勻速直線勻速圓周一、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)勻速直線勻速圓周物理：第6節(jié)-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)-ppt課件二、質(zhì)譜儀1．原理圖：如圖3－6－1所示．圖3－6－1二、質(zhì)譜儀圖3－6－1qUqvB同位素qUqvB同位素三、回旋加速器1．工作原理如圖3－6－2所示，D1和D2是兩個(gè)中空的半圓金屬盒，它們之間有一定的電勢(shì)差U，A處的粒子源產(chǎn)生的帶電粒子在兩盒之間被電場(chǎng)加速．D1、D2處于與盒面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中，粒子將在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，經(jīng)半個(gè)圓周(半個(gè)周期)后，再次到達(dá)兩盒間的縫隙，控制兩盒間電勢(shì)差，使其恰好改變正負(fù)，于是粒子在盒縫間再次被加速，如果粒子每次通過盒間縫隙均能被加速，粒子速度就能夠增加到很大．三、回旋加速器圖3－6－2圖3－6－2不變不變思考感悟回旋加速器上所加的交流電的電壓越大，粒子經(jīng)過D形盒間隙時(shí)，電場(chǎng)力做功越多，粒子飛出D形盒的末動(dòng)能是否也越大？思考感悟一、帶電粒子在有界磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的求解方法有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)是指只在局部空間存在著勻強(qiáng)磁場(chǎng)．帶電粒子從磁場(chǎng)區(qū)域外垂直磁場(chǎng)方向射入磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)經(jīng)歷一段勻速圓周運(yùn)動(dòng)，也就是通過一段圓弧軌跡后離開磁場(chǎng)區(qū)域．由于帶電粒子垂直進(jìn)入磁場(chǎng)的方向不同，或者由于磁場(chǎng)區(qū)域邊界不同，造成它在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的圓弧軌跡各不相同，圖3－6－3舉出了沿不同方法垂直進(jìn)入磁場(chǎng)后的圓弧軌跡的情況．一、帶電粒子在有界磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的求解方法圖3－6－3圖3－6－3物理：第6節(jié)-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)-ppt課件正確解決這類問題的前提和關(guān)鍵是：畫軌跡、定圓心、連半徑、作三角形．1．確定圓心(1)已知入射方向和出射方向時(shí)，可以作通過入射點(diǎn)和出射點(diǎn)作垂直于入射方向和出射方向的直線，兩條直線的交點(diǎn)就是圓弧軌道的圓心，如圖3－6－4甲所示，P為入射點(diǎn)，M為出射點(diǎn)，O為軌道圓心．圖3－6－4正確解決這類問題的前提和關(guān)鍵是：畫軌跡、定圓心、連半徑、作三(2)已知入射方向和出射點(diǎn)的位置時(shí)，可以通過入射點(diǎn)作入射方向的垂線，連接入射點(diǎn)和出射點(diǎn)，作其中垂線，這兩條垂線的交點(diǎn)就是圓弧軌道的圓心，如圖3－6－4乙所示，P為入射點(diǎn)，M為出射點(diǎn)，O為軌道圓心．(3)兩條弦的中垂線：如圖3－6－5所示，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中分別經(jīng)過O、A、B三點(diǎn)時(shí)，其圓心O′在OA、OB的中垂線的交點(diǎn)上．(2)已知入射方向和出射點(diǎn)的位置時(shí)，可以通過入射點(diǎn)作入射方向圖3－6－5圖3－6－6圖3－6－5圖3－6－6(4)已知入射點(diǎn)、入射方向和圓周的一條切線：如圖3－6－6所示，過入射點(diǎn)A做v垂線AO，延長v線與切線CD交于C點(diǎn)，做∠ACD的角平分線交AO于O點(diǎn)，O點(diǎn)即為圓心，求解臨界問題常用到此法．2．求半徑由于已知條件的不同，求半徑有兩種方法：一是已知物理量(q、m、B、v)利用半徑公式求半徑，再由圖形求其他幾何量；二是已知其他幾何量利用數(shù)學(xué)知識(shí)求半徑，再由半徑公式求物理量．(4)已知入射點(diǎn)、入射方向和圓周的一條切線：如圖3－6－6所物理：第6節(jié)-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)-ppt課件特別提醒：(1)軌道半徑與磁感應(yīng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)速度相聯(lián)系，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間與周期、偏轉(zhuǎn)角相聯(lián)系．(2)粒子速度的偏向角(φ)等于圓心角(α)，并等于AB弦與切線的夾角(弦切角θ)的2倍(如圖3－6－7)，即φ＝α＝2θ＝ωt.圖3－6－7特別提醒：(1)軌道半徑與磁感應(yīng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)速度相聯(lián)系，在磁場(chǎng)即時(shí)應(yīng)用

(即時(shí)突破，小試牛刀)1.在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，一個(gè)帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如果又垂直進(jìn)入另一磁感應(yīng)強(qiáng)度是原來磁感應(yīng)強(qiáng)度2倍的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則(

)A．粒子的速率加倍，周期減半B．粒子速率不變，軌道半徑減半C．粒子的速率減半，軌道半徑變?yōu)樵瓉淼?/4D．粒子速率不變，周期減半即時(shí)應(yīng)用(即時(shí)突破，小試牛刀)物理：第6節(jié)-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)-ppt課件(2)電場(chǎng)的作用回旋加速器兩個(gè)D形盒之間的窄縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩D形盒正對(duì)截面的勻強(qiáng)電場(chǎng)，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時(shí)被加速．(3)交變電壓為保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫時(shí)都被加速，使之能量不斷提高，需在窄縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變電壓．(2)電場(chǎng)的作用物理：第6節(jié)-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)-ppt課件即時(shí)應(yīng)用

(即時(shí)突破，小試牛刀)2.(2010年德州模擬)1930年勞倫斯制成了世界上第一臺(tái)回旋加速器，其原理如圖3－6－8所示．這臺(tái)加速器由兩個(gè)銅質(zhì)D形盒D1、D2構(gòu)成，其間留有空隙，下列說法正確的是(

)A．離子由加速器的中心附近進(jìn)入加速器B．離子由加速器的邊緣進(jìn)入加速器C．離子從磁場(chǎng)中獲得能量D．離子從電場(chǎng)中獲得能量即時(shí)應(yīng)用(即時(shí)突破，小試牛刀)圖3－6－8圖3－6－8解析：選AD.回旋加速器的兩個(gè)D形盒間隙分布周期性變化的電場(chǎng)，不斷地給帶電粒子加速使其獲得能量；而D形盒處分布有恒定不變的磁場(chǎng)，具有一定速度的帶電粒子在D形盒內(nèi)受到磁場(chǎng)的洛倫茲力提供的向心力而做圓周運(yùn)動(dòng)；洛倫茲力不做功故不能使離子獲得能量，C錯(cuò)；離子源在回旋加速器的中心附近，所以正確選項(xiàng)為A、D.解析：選AD.回旋加速器的兩個(gè)D形盒間隙分布周期性變化的電場(chǎng)三、帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律1．受力及運(yùn)動(dòng)分析正確分析帶電粒子的受力及運(yùn)動(dòng)特征是解決問題的前提，帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中做什么運(yùn)動(dòng)，取決于帶電粒子所受的合外力及其初始狀態(tài)的速度，因此應(yīng)把帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況和受力情況結(jié)合起來進(jìn)行分析．(1)當(dāng)帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中所受合外力為零時(shí)，做勻速直線運(yùn)動(dòng)(如速度選擇器)．三、帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(2)當(dāng)帶電粒子所受重力與電場(chǎng)力等大反向，則重力與電場(chǎng)力是一對(duì)平衡力，此時(shí)洛倫茲力提供向心力，帶電粒子在垂直于磁場(chǎng)的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)．(3)當(dāng)帶電粒子所受合外力是變力，且與初速度方向不在一條直線上時(shí)，粒子做非勻變速曲線運(yùn)動(dòng)，這時(shí)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡既不是圓弧，也不是拋物線，由于帶電粒子可能連續(xù)通過幾個(gè)情況不同的復(fù)合場(chǎng)區(qū)，因此粒子的運(yùn)動(dòng)情況也發(fā)生相應(yīng)的變化，其運(yùn)動(dòng)過程可能由幾種不同的運(yùn)動(dòng)階段所組成．(2)當(dāng)帶電粒子所受重力與電場(chǎng)力等大反向，則重力與電場(chǎng)力是一2．解決帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)問題的基本思路(1)當(dāng)帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，可根據(jù)平衡條件列方程求解．(2)當(dāng)帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，往往同時(shí)應(yīng)用牛頓第二定律和平衡條件列方程聯(lián)立求解．(3)當(dāng)帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中做非勻變速曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)用動(dòng)能定理或能量守恒定律列方程求解．2．解決帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)問題的基本思路特別提醒：若帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，有兩種可能：(1)帶電粒子不受洛倫茲力．(2)帶電粒子所受的洛倫茲力始終與某一個(gè)力平衡．特別提醒：若帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，有兩種可能：即時(shí)應(yīng)用

(即時(shí)突破，小試牛刀)3.兩帶電油滴在豎直向上的勻強(qiáng)電場(chǎng)E和垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B正交的空間做豎直平面內(nèi)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖3－6－9所示，則兩油滴一定相同的是(

)①帶電性質(zhì)②運(yùn)動(dòng)周期③運(yùn)動(dòng)半徑④運(yùn)動(dòng)速率A．①②

B．①④C．②③④ D．①③④即時(shí)應(yīng)用(即時(shí)突破，小試牛刀)圖3－6－9圖3－6－9物理：第6節(jié)-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)-ppt課件課堂互動(dòng)講練類型一半徑公式、周期公式的應(yīng)用例1

已知?dú)浜伺c氦核的質(zhì)量之比m1∶m2＝1∶4，電荷量之比q1∶q2＝1∶2，當(dāng)氫核與氦核以v1∶v2＝4∶1的速度，垂直于磁場(chǎng)方向射入磁場(chǎng)后，分別做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則氫核與氦核半徑之比r1∶r2＝________，周期之比T1∶T2＝________.【思路點(diǎn)撥】粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，一般情況下，半徑公式不要直接使用，特別是做計(jì)算題時(shí)，應(yīng)先列出洛倫茲力充當(dāng)向心力的方程．課堂互動(dòng)講練類型一半徑公式、周期公式的應(yīng)用例1 已知?dú)浜伺c氦物理：第6節(jié)-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)-ppt課件【答案】

2∶1

1∶2【規(guī)律總結(jié)】

(1)掌握粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑和周期公式是解決此題的關(guān)鍵．(2)比例法是解物理問題的有效方法之一．使用的程序一般是：根據(jù)研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)過程確定相應(yīng)的物理規(guī)律，根據(jù)題意確定運(yùn)動(dòng)過程中的恒量，分析剩余物理量之間的函數(shù)關(guān)系，建立比例式求解．【答案】2∶11∶2變式訓(xùn)練1

(2009年高考安徽理綜卷)圖3－6－10是科學(xué)史上一張著名的實(shí)驗(yàn)照片，顯示一個(gè)帶電粒子在云室中穿過某種金屬板運(yùn)動(dòng)的徑跡．云室放置在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直照片向里．云室中橫放的金屬板對(duì)粒子的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用．分析此徑跡可知粒子(

)A．帶正電，由下往上運(yùn)動(dòng)B．帶正電，由上往下運(yùn)動(dòng)C．帶負(fù)電，由上往下運(yùn)動(dòng)D．帶負(fù)電，由下往上運(yùn)動(dòng)變式訓(xùn)練1(2009年高考安徽理綜卷)圖3－6－10是科學(xué)圖3－6－10圖3－6－10物理：第6節(jié)-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)-ppt課件類型二帶電粒子在有界磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)例2類型二帶電粒子在有界磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)例2(2)若磁場(chǎng)的方向和所在空間范圍不變，而磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小變?yōu)锽′，該粒子仍從A處以相同的速度射入磁場(chǎng)，但飛出磁場(chǎng)時(shí)的速度方向相對(duì)于入射方向改變了60°角，求磁感應(yīng)強(qiáng)度B′多大？此次粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所用時(shí)間t是多少？圖3－6－11(2)若磁場(chǎng)的方向和所在空間范圍不變，而磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小變?yōu)椤揪v精析】圖3－6－12【精講精析】圖3－6－12物理：第6節(jié)-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)-ppt課件物理：第6節(jié)-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)-ppt課件【答案】見精講精析【規(guī)律總結(jié)】帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的問題，關(guān)鍵是認(rèn)真審題，挖掘題目中的隱含條件，利用洛倫茲力與v垂直的特點(diǎn)利用幾何知識(shí)，找到圓心和軌道半徑的表達(dá)式，然后求解．【答案】見精講精析變式訓(xùn)練2如圖3－6－13所示，一束電子的電荷量為e，以速度v垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B、寬度為d的有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，穿過磁場(chǎng)時(shí)的速度方向與原來電子的入射方向的夾角θ是30°，則電子的質(zhì)量是多少？電子穿過磁場(chǎng)的時(shí)間又是多少？圖3－6－13變式訓(xùn)練2如圖3－6－13所示，一束電子的電荷量為e，以速物理：第6節(jié)-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)-ppt課件物理：第6節(jié)-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)-ppt課件

一磁場(chǎng)寬度為L，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，如圖3－6－14所示，一電荷質(zhì)量為m，帶電荷量為－q，不計(jì)重力，以一速度v(方向如圖所示)射入磁場(chǎng)．若要粒子不能從磁場(chǎng)右邊界飛出，則電荷的速度應(yīng)為多大？類型三帶電粒子在有界磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的臨界問題例3圖3－6－14 一磁場(chǎng)寬度為L，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，如圖3－6－14所示，一電【思路點(diǎn)撥】電荷不從右邊界飛出的臨界條件是粒子到達(dá)右邊界時(shí)速度方向恰好與邊界平行．【精講精析】若要粒子不從右邊界飛出，當(dāng)以最大速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡如圖3－6－15所示．圖3－6－15【思路點(diǎn)撥】電荷不從右邊界飛出的臨界條件是粒子到達(dá)右邊界時(shí)物理：第6節(jié)-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)-ppt課件【規(guī)律總結(jié)】這類問題往往是空間的約束決定著半徑，從而控制其他的物理量，故求解物理量的范圍，實(shí)際上需要求出圓周運(yùn)動(dòng)的半徑范圍，再求其他量．【規(guī)律總結(jié)】這類問題往往是空間的約束決定著半徑，從而控制其變式訓(xùn)練3長為l的水平極板間，有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，如圖3－6－16所示，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，板間距離也為l，板不帶電，現(xiàn)有質(zhì)量為m、電荷量為q的正電粒子(不計(jì)重力)，從左邊極板間中點(diǎn)處垂直磁感線以速度v

水平射入磁場(chǎng)，欲使粒子不打在極板上，可采用的辦法是(

)圖3－6－16變式訓(xùn)練3長為l的水平極板間，有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，如物理：第6節(jié)-帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)-ppt