36带电粒子在匀强磁场中的运动.doc

3.6带电粒子在匀强磁场中的运动（1）学习目标1、理解洛伦兹力对粒子不做功。2、理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。3、会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，知道它们与哪些因素有关，并会用它们解答有关问题。4、知道质谱仪的工作原理。知道回旋加速器的基本构造、工作原理及用途。知识链接1、什么是洛伦兹力？2、带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力？3、当θ＝90°时，洛伦兹力的大小为：4、当θ＝0°时，洛伦兹力的大小为：自主学习一、带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时做什么运动？1、演示：先介绍洛伦兹力演示仪的工作原理，由电子枪发出的电子射线可以使管内的低压水银蒸气发出辉光，显示出电子的径迹。2、实验现象：在没有磁场作用时，电子的径迹是；在管外加上匀强磁场电子的径迹3、分析带电粒子的受力情况：①电子受到怎样的力的作用？这个力和电子的速度的关系是怎样的？电子受到垂直于速度方向的洛伦兹力的作用②洛伦兹力对电子的运动有什么作用？洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小③洛伦兹力做功吗？洛伦兹力对运动电荷不做功4、结论：当带电粒子的速度方向与匀强磁场方向垂直时，粒子在匀强磁场中做5、带电粒子做匀速圆周运动的向心力由什么力提供？二、半径公式与周期公式一带电量为q，质量为m，速度为v的带电粒子垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，其半径r和周期T为多大？什么力给带电粒子做圆周运动提供向心力？向心力的计算公式是什么？根据洛伦兹力提供向心力，得由此得出圆周的半径为周期为T＝eq\f(2πr,v)＝2、轨道半径和周期带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径及周期公式轨道半径周期3、轨道半径和粒子的运动速率有什么关系？带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期跟轨道半径和运动速率有什么关系？4、在匀强磁场中如果带电粒子的运动方向不与磁感应强度方向垂直，它的运动轨迹是什么样的曲线？3.6带电粒子在匀强磁场中的运动（2）三、质谱仪例1、如图所示，一质量为m，电荷量为q的粒子从容器A下方小孔S1飘入电势差为U的加速电场，然后让粒子垂直进入磁感应强度为B的磁场中，最后打到底片D上。1、求粒子进入磁场时的速率。2、求粒子在磁场中运动的轨道半径。解：3、质谱仪：阅读课文及例题，回答以下问题：①试述质谱仪的结构。质谱仪由静电加速器、速度选择器、偏转磁场、显示屏等组成。②试述质谱仪的工作原理。电荷量相同而质量有微小差别的粒子，它们进入磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，打到照相底片不同的地方，在底片上形成若干谱线状的细条，叫质谱线，每一条对应于一定的质量，从谱线的位置可以知道圆周的半径r，如果再已知带电粒子的电荷量q，就可算出它的质量。③什么是同位素？质子数相同而质量数不同的原子互称为同位素④质谱仪最初是由谁设计的？质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计。⑤试述质谱仪的主要用途。质谱仪是一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。四、回旋加速器1、直线加速器①加速原理：利用电场对带电粒子的加速。ΔEk＝qU②直线加速器的多级加速：由动能定理可知，带电粒子经N级的电场加速后增加的动能，ΔEk＝nqU③缺点：直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间内制造直线加速器受到一定的限制。2、回旋加速器①加速电场的作用是：②匀强磁场的作用是③回旋加速器的原理：带电粒子做匀速圆周运动的周期公式T＝2πm/qB，在q、m、B不变的情况下，带电粒子的周期与速度和轨道半径无关。当速率v加大时，由r＝mv/qB得知圆周半径将与v成正比例地增大，圆周长也将增大，但周期不变。3、带电粒子被同步加速的条件交变电压的周期与带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动周期。带电粒子经加速后的最终能量：运动半径最大为D形盒的半径R由R＝mv/qB得v＝qBR/m，所以最终能量为Em＝mv2/2＝q2B2R2/2m要提高带电粒子的最终能量，应采取什么措施？3.6带电粒子在匀强磁场中的运动（3）例题分析例1：1989年初，我国投入运行的高能粒子回旋加速器可以把电子的能量加速到2.8GeV；若改用直线加速器加速，设每级的加速电压为U＝2.0×105V，则需要几级加速？解例2、一个负离子，质量为m，电荷量大小为q，以速率v垂直于屏S经过小孔O射入存在着匀强磁场的真空室中，如图所示。磁感应强度B的方向与离子的运动方向垂直，并垂直于图中纸面向里。(1)求离子进入磁场后到达屏S上时的位置与O点的距离。(2)如果离子进入磁场后经过时间t到达位置P，证明：直线OP与离子入射方向之间的夹角θ跟t的关系是θ＝eq\f(qB,2m)t。解析：(1)离子的初速度与匀强磁场的方向垂直，在洛伦兹力作用下，做匀速圆周运动。设圆半径为r，则据牛顿第二定律可得：解