高中物理人教版选修3-13.6-带电粒子在匀强磁场中的运动(共51张PPT)

(共51张PPT)
20XX年3月预防接种证查验工作报告总结
甘龙卫字[2013]15号
甘州区龙渠乡卫生院
关于上报20XX年儿童入托、入学预防接种证查验
工作总结的报告
甘州区疾控心:
为全面贯彻落实《传染病防治法》和《疫苗流通和预防接种管理条例》以及甘肃省《关于做好入托、入学儿童预防接种证查验工作的通知》,切实做好儿童入托、入学查验预防接种证工作,加强托幼机构和学校的传染病控制,保护儿童身体健康,按照区疾控心《关于开展全区入托、入学儿童预防接种证查验工作的通知》文件要求。定于.3月在全乡范围内开展秋季托幼儿童和新入学儿童预防接种证查验工作,现将工作情况总结如下:
一、查验对象:
全乡托幼机构儿童和新入学儿童,包括外地儿童在本乡借托借读或转入学生。
二、组织实施:
为保证工作顺利实施,我院领导高度重视,召开专题会议进行周密安排,要求各级把学校及幼儿园接种证查验作为控制学校传染病的一项重要工作,按时按要求完成,并纳入常规常年开展,区疾控心下文对此项工作进行专门安排部署,利用幼儿园和学校开学之际对家长开展了预防接种证查验
工作的宣传,对各托幼机构和学校负责预防接种证查验的工作人员进行了以《预防接种规范》、
磁场
6
带电粒子在匀强磁场中的运动
第三章
教学要求
（1）知道洛伦兹力对粒子不做功；
（2）了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）学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，掌握它们与哪些因素有关；
（4）知道回旋加速器的工作原理。
教学重点：
带电粒子在匀强磁场中的受力分析以及运动的径迹。
教学难点：
带电粒子在匀强磁场中的受力分析以及运动的径迹。
洛伦兹力演示器
一.带电粒子在匀强磁场中的运动
当带电粒子q以速度v垂直进入匀强磁场中，它将做什么运动?
速度大小不变，而方向随时间变化。
通过威尔逊云室显示的正负电子在匀强磁场中的运动径迹
通过格雷塞尔气泡室显示的带电粒子在匀强磁场中的运动径迹
例题：一个质量为m、电荷量为的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为Ｕ的加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为Ｂ的匀强磁场中，最后打到照相底片Ｄ上求：
（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
质谱仪原理分析
1、质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具
2、基本原理
　　将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场，由于粒子动量不同，引起轨迹半径不同而分开，进而分析某元素中所含同位素的种类
3、推导
1．加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，qU=?Ek．
2．直线加速器，多级加速
　　　如图所示是多级加速装置的原理图：
加速器
（一）、直线加速器
由动能定理得带电粒子经n极的电场加速后增加的动能为：
3．直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制．
二、回旋加速器
1．1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内进行多级加速．
2．工作原理：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个D形盒和其间的窄缝内完成。
1931年，加利福尼亚大学的劳伦斯斯提出了一个卓越的思想，通过磁场的作用迫使带电粒子沿着磁极之间做螺旋线运动,把长长的电极像卷尺那样卷起来，发明了回旋加速器，第一台直径为27cm的回旋加速器投入运行，它能将质子加速到1Mev。1939年劳伦斯获诺贝尔物理奖。
U
二、回旋加速器
（1）磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，并在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期和速率、半径均无关，带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场中加速．
（2）电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速．
（3）交变电压：为了保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，须在窄缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压．
带电粒子的最终能量
　　当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由r=mv/qB得v= rqB/m，若D形盒的半径为R，则带电粒子的最终动能：
　所以，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R．
　　为什么带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关？
　　　解析：加速电压越高，带电粒子每次加速的动能增量越大，回旋半径也增加越多，导致带电粒子在D形盒中的回旋次数越少；反之，加速电压越低，粒子在D形盒中回旋的次数越多，可见加速电压的高低只影响带电粒子加速的总次数，并不影响引出时的速度和相应的动能，由
　　可知，增强B和增大R可提高加速粒子的最终能量，与加速电压高低无关．
小结：
　　 回旋加速器利用两D形盒窄缝间的电场使带电粒子加速，利用D形盒内的磁场使带电粒子偏转，带电粒子所能获得的最终能量与B和R有关，与U无关．
如果尽量增强回旋加速器的磁场或加大D形盒半径，我们是不是就可以使带电粒子获得任意高的能量吗？
思考
本课小结：
一、带电粒子在磁场中的运动
平行磁感线进入：做匀速直线运动
垂直磁感线进入：做匀速圆周运动
二、质谱仪：研究同位素（测荷质比）的装置
由加速电场、速度选择器、偏转磁场组成
三、回旋加速器：使带电粒子获得高能量的装置
由D形盒、高频交变电场等组成
课堂练习
1、有三束粒子,它们分别是质子(P)、氚核( )、和粒子α如果它们以相同的速度沿垂直于磁场方向射入匀强磁场（磁场方向垂直纸面向里）．在图中，哪个正确表示这三束粒子的运动轨迹[ 　　]
课堂练习
2、如图所示，在垂直纸面向里的匀强磁场的边界上，有两个质量和电量都相等的正负离子，从o点以相同速度射入磁场中，射入方向与边界成θ角。若不计重力，则正负离子在磁场中
A. 运动时间相同
B. 运动轨道半径相同
C. 重新回到边界时速
度的大小和方向相同
D. 重新回到边界点
的位置到o点的距离相同
课堂练习
3、设空间存在竖直向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场，如图所示.已知一离子在电场力和洛伦兹力作用下，从静止开始自A沿曲线ACB运动，到达B点时，速度为零，C点为最低点.若不计重力，以下说法正确的是( )
A.离子必带正电荷
B.A点和B点位于同一高度
C.离子在C点时速度最大
D.离子到B点后，将沿曲线
返回A点
课堂练习
4、如图所示，图中虚线所围区域存在水平方向的匀强磁场和匀强电场，且电场和磁场互相垂直。一质量为m、带电为q的小球，从磁场区上方由静止开始自由下落，则小球通过场区时
A. 有可能做匀变速直线运动
B. 有可能做匀速圆周运动
C. 有可能做类似平抛运动
D. 一定做曲线运动
分析
思路分析与解答：小球开始做自由落体运动，进入场区时受电场力和磁场力及重力作用，重力、电场力大小方向确定（分别沿竖直和水平方向），重力的作用将使速度大小变化，电场力的作用不仅改变速度大小，而且改变速度方向。洛仑兹力方向与速度垂直，其大小方向都将随速度的改变而改变。所以粒子在场中不可能做匀变速运动，更不可能匀速运动，也不可能做匀速圆周运动。
本题D正确。
在洛仑兹力参与下的运动，只要有任何因素使速度发生变化，洛仑兹力一定要变化，质点就不可能做匀变速运动。
课堂练习
5、如图所示为电视机显像管及其偏转线圈(L)的示意图，如果发现电视画面的幅度比正常时偏小，可能是下列哪些原因引起的? ( )
A.电子枪发射能力减弱，电子数减少
B.加速电场的电压过高，电子速率偏大
C.偏转线圈匝间短路，线圈匝数减少
D.偏转线圈的电流过小，偏转磁场减弱
课堂练习
6、如图所示，绝缘丝线下悬挂一个带正电的小球，在垂直于纸面向里的匀强磁场中，沿圆弧 摆动，不计空气阻力，A、B分别为摆球左、右所能达到的最高点，O为平衡位置．比较摆球A→O过程和B→O过程中，下列说法中正确的是：（　）
A．摆动时间
B．最低点的速率　
C．摆过最低点时线的张力
D．左、右两个摆角
课堂练习
7、如图所示，ab是一弯管，其中心线是半径为R的一段圆弧，将它置于一给定的匀强磁场中，磁场方向垂直于圆弧所在平面，并且指向纸外、有一束粒子对准a端射入弯管，粒子有不同的质量、不同的速度，但都是一价正离子． [ 　　]
A．只有速度大小一定的粒子可以沿中心线通过弯管
B．只有质量大小一定的粒子可以沿中心线通过弯管
C．只有动量大小一定的粒子可以沿中心线通过弯管
D．只有能量大小一定的粒子可以沿中心线通过弯管
课堂练习
8、在 M、 N两条长直导线所在的平面内，一带电粒子的运动轨迹，如图所示．已知两条导线M、N只有一条中有恒定电流，另一条导线中无电流，关于电流、电流方向和粒子带电情况及运动方向，可能是
A．M中通有自上而下的恒定电流，
带正电的粒子从b点向a点运动．
B．M中通有自上而下的恒定电流，
带负电的粒子从a点向b点运动
C．N中通有自下而上的恒定电流，
带正电的粒子从b点向a点运动
D．N中通有自下而上的恒定电流，
带负电的粒子从a点向b点运动
分析
分析
两根直线电流在周围空间产生的磁场为非匀强磁场，靠近导线处磁场强，远离导线处磁场弱．所以带电粒子在该磁场中不做匀速圆周运动，而是复杂曲线运动．因为带电粒子在运动中始终只受到洛仑兹力作用，所以可以定性使用圆运动半径规律R=mv/ Bq．由该规律知，磁场越强处，曲率半径越小，曲线越弯曲；反之，曲线弯曲程度越小．
解：选项A、B正确．
小结：这是一道带电粒子在非匀强磁场中运动的问题，这时粒子做复杂曲线运动，不再是匀速圆周运动．但在定性解决这类问题时可使用前面所分析的半径公式．洛仑兹力永远不做功仍成立．
课堂练习
9、图中虚线MN是一垂直纸面的平面与纸面的交线，在平面右侧的半空间存在磁感应强度为B的匀强磁场，方向垂直纸面向外，O是MN上的
一点，从O点可以向磁场区域发射
电量为＋q ,质量为m，速率为v的
粒子，粒子射入磁场时的速度可为
纸面内各个方向.已知先后射入的两
个粒子恰好在磁场中给定P点相遇，
P到O的距离为L，不计重力及粒子
间的相互作用.
(1)求所考察的粒子在磁场中的轨道半径.
(2)求这两个粒子从O点射入磁场的时间间隔.
答案
答案

(1)R＝



(2)Δt＝
课堂练习
10、如图所示，长L的丝线的一端固定，另一端拴一带正电的小球，小球质量为m，带电 量为q，使丝线与竖直方向成θ角.由静止释放小球，小球运动的空间有方向垂直线面向里的 匀强磁场，磁感应强度为B，求小球运动到最低点时所受丝线的拉力.

课堂练习
11、如图所示，一质量m、电量q带正电荷小球静止在倾角30°、足够长绝缘光滑斜面．顶端时对斜面压力恰为零．若迅速把电场方向改为竖直向下，则小球能在斜面上滑行多远？
课堂练习
12、如图所示，A、B是两块水平放置的金属板，A板带正电，B板带负电，其间匀强电场场强E=1000N/C。所加匀强磁场方向是垂直纸面向里的，磁感强度B=0.2T。
（1）带电粒子甲垂直于电场和磁场方向飞入AB板间，恰做匀速直线运动，那么它的速率是多大？
（2）带电粒子乙飞入AB板间时的速度方向与甲粒子相同，只是速率大些。飞离此区间时侧移量为0.01m，且偏向A板。设此粒子带正电，带电量大小为电子的2倍。那么在此过程中，电场力、磁场力对粒子各做多少功？离开场区时，粒子的动能变化是多少？
课堂练习
13、在真空中，半径为r=3×10-2m的圆形区域内，有一匀强磁场，磁场的磁感应强度为B=0.2T，方向如图所示，一带正电粒子，以初速度v0=106m/s的速度从磁场边界上直径ab一端a点处射入磁场，已知该粒子荷质比为q/m=108C/kg，不计粒子重力，则
（1）粒子在磁场中匀速圆周
运动的半径是多少？
（2）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θ表示）？最大偏转角
多大？
分析
（1）圆运动半径可直接代入公式求解．
（2）先在圆中画出任意一速度方偏转角为初速度与未速度的夹角，且偏转角等于粒子运动轨迹所对应的圆心角．向入射时，其偏转角为哪个角？如图所示．由图分析知：弦ac是粒子轨
迹上的弦，也是圆形磁场的弦．
因此，弦长的变化一定对应速度偏
转角的变化，也一定对应粒子圆运
动轨迹的圆心角的变化．所以当弦
长为圆形磁场直径时，偏转角最大．
解答
解：（1）设粒子圆运动半径为R，则



（2）由图知：弦长最大值为
ab=2r=6×10-2m
设速度偏转角最大值为αm，此时
初速度方向与ab连线夹角为θ，则
?



当粒子以与ab夹角为37°斜向右上
方入射时，粒子飞离磁场时有最大
偏转角，其最大值为74°．
小结：本题所涉及的问题是一个动态问题，即粒子虽然在磁场中均做同一半径的匀速圆周运动，但因其初速度方向变化，使得粒子运动轨迹的长短和位置均发生变化，要会灵活运用平面几何知识去解决．
小结：本题所涉及的问题是一个动态问题，即粒子虽然在磁场中均做同一半径的匀速圆周运动，但因其初速度方向变化，使得粒子运动轨迹的长短和位置均发生变化，要会灵活运用平面几何知识去解决．
课堂练习
14、如图3-6-7所示，很长的平行边界面M、N与N、P间距分别为L1、L2，其间分别有磁感应强度为B1与B2的匀强磁场区，磁场方向均垂直纸面向里．已知B1≠B2，一个带正电的粒子电量为q，质量为m，以大小为v0。的速度垂直边界面M与磁场方向射入MN间磁场区，试讨论粒子速度v0应满足什么条件，才能通过两个磁场区，并从边界面P射出？（不计粒子重力）
问题：
1．该粒子在两磁场中运动速率是否相同？
2．什么是粒子运动通过磁场或不通过磁
场 的临界条件？
3．画出轨迹草图并计算。
分析：
带电粒子在两磁场中做半径不同的匀速圆周运动，但因为洛仑兹力永远不做功，所以带电粒子运动速率不变．粒子恰好不能通过两磁场的临界条件是粒子到达边界P时，其速度方向平行于边界面．粒子在磁场中轨迹如图3-6-8所示．再利用平面几何和圆运动规律即可求解．
解：
如图3-6-8所示，设O1、O2分别为带电粒子在磁场B1和B2中运动轨迹的圆心．则
在磁场B1中运动的半径为
在磁场B2中运动的半径为
设角α、β分别为粒子在磁场B1和B2中运动轨迹所对应圆心角，则由几何关系知

α+β＝90°
所以
若粒子能通过两磁场区，则
课堂练习
15、一带电质点，质量为m，电量为q，以平行于Ox轴的速度v从y轴上的a点射入图示第一象限的区域．为了使该质点能从x轴上的b点以垂直于Ox轴的速度v射出，可在适当的地方加一个垂直于xy平面、磁感应强度为B的匀强磁场．若此磁场仅分布在一个圆形区域内，试求这圆形磁场区域的最小半径．重力忽略不计．
提问：
1．带电质点的圆运动半径多大？
2．带电质点在磁场中的运动轨迹
有什么特点？
3．在xy平面内什么位置加一个圆
形磁场可使带电质点按题意运动？
其中有什么样特点的圆形磁场为半径
最小的磁场？
分析
常见错误：
加以aM和bN连线交点为圆心的圆形磁场，其圆形磁场最小半径为R．
分析：带电质点在磁场中做匀速圆周运动，其半径为R,
因为带电质点在a、b两点速度方向垂直，所以带电质点在磁场中运动轨迹为1/4圆弧，O1为其圆心，如图所示MN圆弧．
在xy平面内加以MN连线为弦，且
包含MN圆弧的所有圆形磁场均可
使带电质点完成题意运动．其中
以MN连线为半径的磁场为最小圆
形磁场．
解：
设圆形磁场的圆心为O2点，半径为r，则由图

知：
小结:这是一个需要逆向思维的问题，同时考查了空间想象能力，即已知粒子运动轨迹，求所加圆形磁场的位置．考虑问题时，要抓住粒子运动特点，即该粒子只在所加磁场中做匀速圆周运动，所以粒子运动的1/4圆弧必须包含在磁场区域中，且圆运动起点、终点必须是磁场边界上的点．然后再考虑磁场的最小半径．
课堂练习
16、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4条狭缝a、b、c和d，外筒的外半径为r.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，磁感强度大小为B，在两极间加上电压，使两圆筒之间的区域内有沿半径向外的电场，一质量为m，带电量为+q的粒子，从紧靠内筒且正对狭缝a的s点出发，初速为零.如果该粒子经过一
段时间的运动之后恰好又回到
出发点s，到电极之间的电压
U应是多少?(不计重力，整个
装置在真空中)
U＝

17.如图16(a)所示为一种获得高能粒子的装置，环形区域内存在着垂直纸面向外、大小可调节的均匀磁场，质量为m、电量为+q的粒子在环中做半径为R的圆周运动.A、B为两块中心开有小孔的极板.原来电势都为零，每当粒子飞经A板时，A板电势
升高为＋U，B板电势仍保持为零，粒子在两
板间得到加速.每当粒子在电场一次次加速下
动能不断增大，而绕行半径不变.
(1)设t=0时粒子静止在A板小孔处，在电场作用下加速，并绕行第一圈，求粒子绕行n圈回到A板时获得的总动能Ekn.
(2)为使粒子始终保持在半径为R的圆轨道上运动，磁场必须周期性递增，求粒子绕行第n圈时的磁感强度Bn.
(3)求粒子绕行n圈所需的总时间tn(设极板间距远小于R).
(4)在图16 (b)中画出A板电势U与时间t的关系(从t=0起画到粒子第四次离开B板时即可).
课堂练习
答案
（1）Ekn=nqU (2)Bn=

(3) tn＝


(4)
谢谢！