3.6 磁聚焦问题 24张PPT
文档属性
| 名称 | 3.6 磁聚焦问题 24张PPT |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 420.9KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2019-05-02 18:16:20 | ||
图片预览
文档简介
圆形磁场的聚焦问题
平行会聚于一点
一点发散成平行
当带电粒子从同一边界入射出射时速度与边界夹角相同
——对称性
带电粒子在直边界磁场中的运动
磁聚焦概括：
平行会聚于一点
一点发散成平行
R
R
r
r
质量、电量和速度完全相同的大量粒子平行射入圆形边界磁场时，若粒子的运动轨迹圆半径r等于磁场圆的半径R时，则粒子将会汇聚于圆形磁场边界的同一点。如右图所示，反之，从磁场圆的边界上某点向各方向以相同速率发射同种粒子，穿过磁场后粒子的射出方向均平行。
迁移、逆向、对称的物理思想！
磁聚焦：
一组平行粒子垂直射入半径为R的圆形匀强磁场区域，若轨迹半径也为R，则粒子将汇聚于同一点。
磁发散：
从一点进入磁场的粒子，若圆周运动的半径与磁场半径相同，则无论在磁场内的速度方向如何，出磁场的方向都与该点切线方向平行。
磁聚焦原理图解
条件：圆形磁场区域半径与粒子轨道半径一样
O1
O2
A
B
磁聚焦原理图解
条件：圆形磁场区域半径与粒子轨道半径一样大。
现象：从圆心打出的任意方向的粒子飞出方向与入射点切线平行。
拓展：可逆性
入射点
（1）当带电粒子从同一直线边界入射出射时速度与边界夹角相同
——对称性
圆周运动中的有关对称规律:
B
v
O
边界圆
带电粒子在圆形匀强磁场中的运动往往涉及粒子轨迹圆与磁场边界圆的两圆相交问题。
(2) 在圆形磁场区域内,沿径向射入的粒子,必沿径向射出
轨迹圆
O′
α
θ
θ+ α = π
两圆心连线OO′与点C共线。
B
O
边界圆
轨迹圆
B
C
A
O＇
θ
O1
R
θ
2
例1、如图，虚线所围圆形区域内有方向垂直纸面向里的匀强磁场B。电子束沿圆形区域的直径方向以速度v射入磁场，经过磁场区后，电子束运动的方向与原入射方向成θ角。设电子质量为m，电荷量为e，不计电子之间的相互作用力及所受的重力。求：
（1）电子在磁场中运动轨迹的半径R；
（2）电子在磁场中运动的时间t；
（3）圆形磁场区域的半径r。
v
B
O
r
v
θ
解：（1）
（2）由几何关系得：圆心角：
α = θ
（3）由如图所示几何关系可知，
所以：
轨迹圆的缩放
当粒子的入射速度方向一定而大小可变时，粒子做圆周运动的圆心一定在粒子在入射点所受洛伦兹力的方向上，半径R不确定，利用圆规作出一系列大小不同的内切圆，从圆的动态变化中即可发现临界点
q
a
O
d
b
c
B
v0
R1
例2、如图所示，一足够长的矩形区域abcd内充满方向垂直纸面向里的、磁感应强度为B的匀强磁场，在ad边中点O，方向垂直磁场向里射入一速度方向跟ad边夹角θ＝30°、大小为v0的带正电粒子，已知粒子质量为m，电量为q，ad边长为L，ab边足够长，粒子重力不计，求：(1)粒子能从ab边上射出磁场的v0大小范围．
R1+R1sin30?= L/2
解：（1）
得R1 = L/3
R2
R2－ R2cos60?= L/2
得：R2 = L。
（1） ≥v0≥
q
a
O
d
b
c
B
v0
R1
R2
例2、如图所示，一足够长的矩形区域abcd内充满方向垂直纸面向里的、磁感应强度为B的匀强磁场，在ad边中点O，方向垂直磁场向里射入一速度方向跟ad边夹角θ＝30°、大小为v0的带正电粒子，已知粒子质量为m，电量为q，ad边长为L，ab边足够长，粒子重力不计，求：(2)如果带电粒子不受上述v0大小范围的限制，求粒子在磁场中运动的最长时间．
轨迹圆的旋转
当粒子的入射速度大小一定而方向不确定时，从不同方向入射的粒子的轨迹圆都一样大，只是位置绕入射点发生了旋转，从定圆的动旋转中发现临界点
例3、如图，磁感应强度为B的匀强磁场垂直于 纸面向里，PQ为该磁场的右边界线，磁场中有一点O到PQ的距离为r。现从点O以同一速率将相同的带负电粒子向纸面内各个不同的方向射出，它们均做半径为r的匀速圆周运动，求带电粒子打在边界PQ上的范围（粒子的重力不计）。
分析：从O点向各个方向发射的粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径r相同，O为这些轨迹圆周的公共点。
O
2r
P
Q
P
Q
O
r
O
2r
r
Q
P
M
N
练1、如图，真空室内存在方向垂直纸面向里，大小B=0.6T的匀强磁场，内有与磁场方向平行的板ab，在距ab距离为l=16cm处，有一点状的放射源S向各个方向发射α粒子，α粒子的速度都是v=3.0×106 m/s，已知 α粒子的电荷与质量之比q/m= 5.0×107 C/kg ，现只考虑在图纸平面中运动的α粒子，求ab上被α粒子打中的区域的长度。
b
a
S
l
B
即：2R > l > R。
P1
N
P2
∴P1P2=20cm
解：α 粒子带正电，沿逆时针方向做匀速圆周运动，轨道半径R为
2R
R
2R
M
N
O
2R
R
2R
M
N
O
2R
2R
2R
M
N
O
R
2R
2R
M
N
O
D.
A.
B.
C.
M
N
B
O
A
例、如图，水平放置的平板MN上方有方向垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B，许多质量为m，带电量为+q的粒子，以相同的速率 v 沿位于纸面内的各个方向，由小孔O射入磁场区域，不计重力，不计粒子间的相互影响。下列图中阴影部分表示带电粒子可能经过的区域，其中R=mv/qB，哪个图是正确的？（ ）
……以速率 v 沿纸面各个方向由小孔O射入磁场
2R
R
2R
O
2R
R
2R
O
2R
2R
2R
O
R
2R
2R
O
D.
A.
B.
C.
例、如图，半径为 r=3×10－2m的圆形区域内有一匀强磁场B=0.2T，一带正电粒子以速度v0=106m/s的从a点处射入磁场，该粒子荷质比为q/m=108C/kg，不计重力。若要使粒子飞离磁场时有最大的偏转角，其入射时粒子的方向应如何（以v0与oa的夹角表示）？最大偏转角多大？
说明：半径确定时，通过的弧越长，偏转角度越大。而弧小于半个圆周时，弦越长则弧越长。
R =mv/Bq=5×10－2m > r
解析：
O
a
B
v0
b
α
α
R
r
? = 37?，
sin? = r/R
最大偏转角为 2? = 74?。
O
a
B
v0
解析：
R′ = mv0′/Bq=1.5×10－2m = r/2
2R′
v0
因此，在ab上方的粒子可能出现的区域为以aO为直径的半圆，如图所示。在ab下方粒子可能出现的区域为以a为圆心，aO为半径所作圆与磁场相交的部分，如图。
最大偏转角为180?，射时粒子的方向应与oa的夹角为30?。
v0
拓展：若改粒子射入磁场的速度为v0′=3.0×105m/s，其它条件不变。用斜线画出该批粒子在磁场中可能出现的区域。若要使粒子飞离磁场时有最大的偏转角，其入射时粒子的方向应如何（以v0与oa的夹角表示）？最大偏转角多大？
例、如图，环状匀强磁场围成的中空区域内有自由运动的带电粒子，但由于环状磁场的束缚，只要速度不很大，都不会穿出磁场的外边缘。设环状磁场的内半径为R1=0.5m，外半径为 R2=1.0m，磁场的磁感应强度 B=1.0T，若被缚的带电粒子的荷质比为 q/m=4×107C/kg，中空区域中带电粒子具有各个方向的速度。试计算：
（1）粒子沿环状的半径方向
射入磁场，不能穿越磁场的最
大速度。
（2）所有粒子不能穿越磁
场的最大速度。
O
B
R2
R1
R2
r
v
v
答案：（1）1.5×107m/s，
（2）1.0×107m/s。
例、如图，质量为m、电量为q的正离子，从A点正对圆心O以某一速度射入半径为R的绝缘圆筒中。圆筒内存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度的大小为B。要使带电粒子与圆筒内壁碰撞多次后仍从A点射出，问发生碰撞的最少次数？并计算此过程中正离子在磁场中运动的时间t ？设粒子与圆筒内壁碰撞时无能量和电量损失，不计粒子的重力。
t = ? m / Bq
2次
B
v
O
B
v
O
O′
α
θ
α + θ =?
例、如图，空间分布着有理想边界的匀强电场和匀强磁场。左侧匀强电场的场强大小为E、方向水平向右，电场宽度为L；中间区域匀强磁场方向垂直纸面向外，右侧区域匀强磁场方向垂直纸面向里，两个磁场区域的磁感应强度大小均为B。一个质量为m、电量为q、不计重力的带正电的粒子从电场的左边缘的O点由静止开始运动，穿过中间磁场区域进入右侧磁
场区域后，又回到O点，然
后重复上述运动过程。求：
（1）中间磁场区域的宽度d；
（2）带电粒子的运动周期。
B1
E
O
B2
L
d
O1
O3
O2
由以上两式，可得
（2）在电场中运动时间
在中间磁场中运动时间
在右侧磁场中运动时间
则粒子的运动周期为
带电粒子在磁场中偏转，由牛顿第二定律得：
解：（1）如图所示，带电粒子在电场中加速，由动能定理得：
粒子在两磁场区运动半径相同，三段圆弧的圆心组成的三角形ΔO1O2O3是等边三角形，其边长为2R。所以中间磁场区域的宽度为：
B1
E
O
B2
L
d
O1
O3
O2
例、 如图，两个共轴的圆筒形金属电极，外电极接地，其上均匀分布着平行于轴线的四条狭缝a、b、c和d，外筒的半径为r0，在圆筒之外的足够大区域中有平行于轴线方向的均匀磁场B。在两极间加上电压。一质量为m、带电量为+q的粒子初速为零，从紧靠内筒且正对狭缝a的S点出发，经过一段时间的运动之后恰好又回到点S，则两电极之间的电压U应是多少？
（不计重力，整个装置在真空中）
O
a
b
c
d
q
S
解析 ：
qU
mv
2
1
2
=
qBv
R
v
m
2
=
2m
B
qr
U
2
2
0
=
半径 R = r0
平行会聚于一点
一点发散成平行
当带电粒子从同一边界入射出射时速度与边界夹角相同
——对称性
带电粒子在直边界磁场中的运动
磁聚焦概括：
平行会聚于一点
一点发散成平行
R
R
r
r
质量、电量和速度完全相同的大量粒子平行射入圆形边界磁场时，若粒子的运动轨迹圆半径r等于磁场圆的半径R时，则粒子将会汇聚于圆形磁场边界的同一点。如右图所示，反之，从磁场圆的边界上某点向各方向以相同速率发射同种粒子，穿过磁场后粒子的射出方向均平行。
迁移、逆向、对称的物理思想！
磁聚焦：
一组平行粒子垂直射入半径为R的圆形匀强磁场区域，若轨迹半径也为R，则粒子将汇聚于同一点。
磁发散：
从一点进入磁场的粒子，若圆周运动的半径与磁场半径相同，则无论在磁场内的速度方向如何，出磁场的方向都与该点切线方向平行。
磁聚焦原理图解
条件：圆形磁场区域半径与粒子轨道半径一样
O1
O2
A
B
磁聚焦原理图解
条件：圆形磁场区域半径与粒子轨道半径一样大。
现象：从圆心打出的任意方向的粒子飞出方向与入射点切线平行。
拓展：可逆性
入射点
（1）当带电粒子从同一直线边界入射出射时速度与边界夹角相同
——对称性
圆周运动中的有关对称规律:
B
v
O
边界圆
带电粒子在圆形匀强磁场中的运动往往涉及粒子轨迹圆与磁场边界圆的两圆相交问题。
(2) 在圆形磁场区域内,沿径向射入的粒子,必沿径向射出
轨迹圆
O′
α
θ
θ+ α = π
两圆心连线OO′与点C共线。
B
O
边界圆
轨迹圆
B
C
A
O＇
θ
O1
R
θ
2
例1、如图，虚线所围圆形区域内有方向垂直纸面向里的匀强磁场B。电子束沿圆形区域的直径方向以速度v射入磁场，经过磁场区后，电子束运动的方向与原入射方向成θ角。设电子质量为m，电荷量为e，不计电子之间的相互作用力及所受的重力。求：
（1）电子在磁场中运动轨迹的半径R；
（2）电子在磁场中运动的时间t；
（3）圆形磁场区域的半径r。
v
B
O
r
v
θ
解：（1）
（2）由几何关系得：圆心角：
α = θ
（3）由如图所示几何关系可知，
所以：
轨迹圆的缩放
当粒子的入射速度方向一定而大小可变时，粒子做圆周运动的圆心一定在粒子在入射点所受洛伦兹力的方向上，半径R不确定，利用圆规作出一系列大小不同的内切圆，从圆的动态变化中即可发现临界点
q
a
O
d
b
c
B
v0
R1
例2、如图所示，一足够长的矩形区域abcd内充满方向垂直纸面向里的、磁感应强度为B的匀强磁场，在ad边中点O，方向垂直磁场向里射入一速度方向跟ad边夹角θ＝30°、大小为v0的带正电粒子，已知粒子质量为m，电量为q，ad边长为L，ab边足够长，粒子重力不计，求：(1)粒子能从ab边上射出磁场的v0大小范围．
R1+R1sin30?= L/2
解：（1）
得R1 = L/3
R2
R2－ R2cos60?= L/2
得：R2 = L。
（1） ≥v0≥
q
a
O
d
b
c
B
v0
R1
R2
例2、如图所示，一足够长的矩形区域abcd内充满方向垂直纸面向里的、磁感应强度为B的匀强磁场，在ad边中点O，方向垂直磁场向里射入一速度方向跟ad边夹角θ＝30°、大小为v0的带正电粒子，已知粒子质量为m，电量为q，ad边长为L，ab边足够长，粒子重力不计，求：(2)如果带电粒子不受上述v0大小范围的限制，求粒子在磁场中运动的最长时间．
轨迹圆的旋转
当粒子的入射速度大小一定而方向不确定时，从不同方向入射的粒子的轨迹圆都一样大，只是位置绕入射点发生了旋转，从定圆的动旋转中发现临界点
例3、如图，磁感应强度为B的匀强磁场垂直于 纸面向里，PQ为该磁场的右边界线，磁场中有一点O到PQ的距离为r。现从点O以同一速率将相同的带负电粒子向纸面内各个不同的方向射出，它们均做半径为r的匀速圆周运动，求带电粒子打在边界PQ上的范围（粒子的重力不计）。
分析：从O点向各个方向发射的粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径r相同，O为这些轨迹圆周的公共点。
O
2r
P
Q
P
Q
O
r
O
2r
r
Q
P
M
N
练1、如图，真空室内存在方向垂直纸面向里，大小B=0.6T的匀强磁场，内有与磁场方向平行的板ab，在距ab距离为l=16cm处，有一点状的放射源S向各个方向发射α粒子，α粒子的速度都是v=3.0×106 m/s，已知 α粒子的电荷与质量之比q/m= 5.0×107 C/kg ，现只考虑在图纸平面中运动的α粒子，求ab上被α粒子打中的区域的长度。
b
a
S
l
B
即：2R > l > R。
P1
N
P2
∴P1P2=20cm
解：α 粒子带正电，沿逆时针方向做匀速圆周运动，轨道半径R为
2R
R
2R
M
N
O
2R
R
2R
M
N
O
2R
2R
2R
M
N
O
R
2R
2R
M
N
O
D.
A.
B.
C.
M
N
B
O
A
例、如图，水平放置的平板MN上方有方向垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B，许多质量为m，带电量为+q的粒子，以相同的速率 v 沿位于纸面内的各个方向，由小孔O射入磁场区域，不计重力，不计粒子间的相互影响。下列图中阴影部分表示带电粒子可能经过的区域，其中R=mv/qB，哪个图是正确的？（ ）
……以速率 v 沿纸面各个方向由小孔O射入磁场
2R
R
2R
O
2R
R
2R
O
2R
2R
2R
O
R
2R
2R
O
D.
A.
B.
C.
例、如图，半径为 r=3×10－2m的圆形区域内有一匀强磁场B=0.2T，一带正电粒子以速度v0=106m/s的从a点处射入磁场，该粒子荷质比为q/m=108C/kg，不计重力。若要使粒子飞离磁场时有最大的偏转角，其入射时粒子的方向应如何（以v0与oa的夹角表示）？最大偏转角多大？
说明：半径确定时，通过的弧越长，偏转角度越大。而弧小于半个圆周时，弦越长则弧越长。
R =mv/Bq=5×10－2m > r
解析：
O
a
B
v0
b
α
α
R
r
? = 37?，
sin? = r/R
最大偏转角为 2? = 74?。
O
a
B
v0
解析：
R′ = mv0′/Bq=1.5×10－2m = r/2
2R′
v0
因此，在ab上方的粒子可能出现的区域为以aO为直径的半圆，如图所示。在ab下方粒子可能出现的区域为以a为圆心，aO为半径所作圆与磁场相交的部分，如图。
最大偏转角为180?，射时粒子的方向应与oa的夹角为30?。
v0
拓展：若改粒子射入磁场的速度为v0′=3.0×105m/s，其它条件不变。用斜线画出该批粒子在磁场中可能出现的区域。若要使粒子飞离磁场时有最大的偏转角，其入射时粒子的方向应如何（以v0与oa的夹角表示）？最大偏转角多大？
例、如图，环状匀强磁场围成的中空区域内有自由运动的带电粒子，但由于环状磁场的束缚，只要速度不很大，都不会穿出磁场的外边缘。设环状磁场的内半径为R1=0.5m，外半径为 R2=1.0m，磁场的磁感应强度 B=1.0T，若被缚的带电粒子的荷质比为 q/m=4×107C/kg，中空区域中带电粒子具有各个方向的速度。试计算：
（1）粒子沿环状的半径方向
射入磁场，不能穿越磁场的最
大速度。
（2）所有粒子不能穿越磁
场的最大速度。
O
B
R2
R1
R2
r
v
v
答案：（1）1.5×107m/s，
（2）1.0×107m/s。
例、如图，质量为m、电量为q的正离子，从A点正对圆心O以某一速度射入半径为R的绝缘圆筒中。圆筒内存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度的大小为B。要使带电粒子与圆筒内壁碰撞多次后仍从A点射出，问发生碰撞的最少次数？并计算此过程中正离子在磁场中运动的时间t ？设粒子与圆筒内壁碰撞时无能量和电量损失，不计粒子的重力。
t = ? m / Bq
2次
B
v
O
B
v
O
O′
α
θ
α + θ =?
例、如图，空间分布着有理想边界的匀强电场和匀强磁场。左侧匀强电场的场强大小为E、方向水平向右，电场宽度为L；中间区域匀强磁场方向垂直纸面向外，右侧区域匀强磁场方向垂直纸面向里，两个磁场区域的磁感应强度大小均为B。一个质量为m、电量为q、不计重力的带正电的粒子从电场的左边缘的O点由静止开始运动，穿过中间磁场区域进入右侧磁
场区域后，又回到O点，然
后重复上述运动过程。求：
（1）中间磁场区域的宽度d；
（2）带电粒子的运动周期。
B1
E
O
B2
L
d
O1
O3
O2
由以上两式，可得
（2）在电场中运动时间
在中间磁场中运动时间
在右侧磁场中运动时间
则粒子的运动周期为
带电粒子在磁场中偏转，由牛顿第二定律得：
解：（1）如图所示，带电粒子在电场中加速，由动能定理得：
粒子在两磁场区运动半径相同，三段圆弧的圆心组成的三角形ΔO1O2O3是等边三角形，其边长为2R。所以中间磁场区域的宽度为：
B1
E
O
B2
L
d
O1
O3
O2
例、 如图，两个共轴的圆筒形金属电极，外电极接地，其上均匀分布着平行于轴线的四条狭缝a、b、c和d，外筒的半径为r0，在圆筒之外的足够大区域中有平行于轴线方向的均匀磁场B。在两极间加上电压。一质量为m、带电量为+q的粒子初速为零，从紧靠内筒且正对狭缝a的S点出发，经过一段时间的运动之后恰好又回到点S，则两电极之间的电压U应是多少？
（不计重力，整个装置在真空中）
O
a
b
c
d
q
S
解析 ：
qU
mv
2
1
2
=
qBv
R
v
m
2
=
2m
B
qr
U
2
2
0
=
半径 R = r0