(共40张PPT)
带电粒子在匀强磁场中的运动
教学目标
1.
粒子在磁场中圆周运动基本公式。
2.
粒子在磁场中运动画轨迹及处理方法。
3、某些带电体是否考虑重力,要根据题目暗示或运动状态来判定
磁场中的带电粒子一般可分为两类:
1、带电的基本粒子:如电子,质子,正负离子等。一般都不考虑重力。(但并不能忽略质量)。
2、带电微粒:如带电小球、液滴、尘埃等。一般都考虑重力。
判断下图中带电粒子(电量q,重力不计)所受洛伦兹力的大小和方向:
一、运动形式
1、匀速直线运动。
2、匀速圆周运动。
1.什么力提供向心力?
2.求出粒子做圆周运动的半径?
3.求出粒子的周期?
带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力就是它做圆周运动的向心力
学生自己推导半径和周期表达式。
1、圆周运动的半径
2、圆周运动的周期
重要知识
1.一电子与质子速度相同,都从O点射入匀强磁场区,则图4中画出的四段圆弧,哪两个是电子和质子运动的可能轨迹( )
A.a是电子运动轨迹,d是质子运动轨迹
B.b是电子运动轨迹,c是质子运动轨迹
C.c是电子运动轨迹,b是质子运动轨迹
D.d是电子运动轨迹,a是质子运动轨迹
当堂检测
C
2.在匀强磁场中,一个带电粒子做匀速圆周运动,如果又顺利垂直进入另一磁感应强度是原来磁感应强度2倍的匀强磁场,则( )
A.粒子的速率加倍,周期减半
B.粒子速率不变,轨道半径减半
C.粒子的速率减半,轨道半径变为原来的1/4
D.粒子速率不变,周期减半
BD
带电粒子在磁场中运动情况研究
1、找圆心:方法
2、定半径:
3、求时间:
注意:
θ用弧度
问题探究2
重要方法
怎样找圆心?
(1)已知入射方向和出射方向,可以通过入射点和出射点分别作垂直与入射方向和出射方向的直线,两条直线的交点就是圆弧轨道的圆心
(2)已知入射方向和出射点的位置时,可以通过入射点作入射方向的垂线,连接入射点和出射点,作其中垂线,这两条垂线的交点就是圆弧轨道的圆心.
运动时间的确定
利用偏转角(即圆心角α)与弦切角的关系,或者几何关系计算出圆心角α的大小,
由公式
可求出粒子在磁场中运动的时间
半径如何确定?
利用几何关系求半径
3、如图所示,一束电子(电量为e)以速度V垂直射入磁感应强度为B、宽度为d的匀强磁场,穿透磁场时的速度与电子原来的入射方向的夹角为300。求
:
(1)画出粒子运动轨迹。
(2)轨迹半径R=?电子的质量m=?
(3)电子在磁场中的运动时间t=?
当堂检测
4.ab和cd是匀强磁场两条平行直线.在O点将同种带电粒子以不同初速度发射出去,初速度方向均沿ob方向。其中粒子1在通过直线cd时,速度为v1,方向与cd垂直;粒子2在通过直线cd时,速度为v2,方向与cd夹角为60°.从射出到经过直线cd,粒子经历时间分别为t1、t2,则:t1∶t2=?
3∶2
1.如图,虚线上方存在无穷大的磁场,一带正电的粒子质量m、电量q、若它以速度v沿与虚线成300、600、900、1200、1500、1800角分别射入,请你作出上述几种情况下粒子的轨迹、并求其在磁场中运动的时间。
二、有界磁场问题:
入射角300时
入射角1500时
1.粒子在磁场中做圆周运动的对称规律:
从同一直线边界射入的粒子,从同一边界射出时,速度与边界的夹角相等。
两个对称规律:
1、如图所示,在y<0的区域内存在匀强磁场,磁场方向垂直纸面向外,磁感应强度为B。一个正电子以速度v从O点射入磁场,入射方向在xy平面内,与x轴正向的夹角为θ。若正电子射出磁场的位置与O点的距离为L,求正电子的电量和质量之比?
思考:如果是负电子,那么,两种情况下的时间之比为多少?
圆形磁场区
。画好辅助线(半径、速度、轨迹圆的圆心、连心线)
2.在圆形磁场区域内,
沿径向射入的粒子,必沿径向射出。
两个对称规律:
2、如图所示,在半径为r的圆形区域内,有一个匀强磁场,一带电粒子以速度v0从M点沿半径方向射入磁场区,并由N点射出,O点为圆心,∠MON=120°,求粒子在磁场区的偏转半径R及在磁场区中的运动时间。(粒子重力不计)
3、电视机的显像管中,电子束的偏转是用磁偏转技术实现的。电子束经过电压为U的加速电场后,进入一圆形匀强磁场区,如图所示。磁场方向垂直于圆面。磁场区的中心为O,半径为r。当不加磁场时,电子束将通过O
点而打到屏幕的中心M点。为了让电子束射到屏幕边缘P,需要加磁场,使电子束偏转一已知角度θ,此时磁场的磁感应强度B应为多少?
1:如图所示,匀强磁场的磁感应强度为B,宽度为d,边界为CD和EF。一电子从CD边界外侧以速率V0垂直射入匀强磁
场,入射方向与CD边界间夹角为θ。已知电子的质量为m,电量为e,为使电子能从磁场的另一侧EF射出,求电子的速率V0至少多大?
(1)速度方向一定,大小不定。
关键:先画圆心轨迹,再画圆轨迹,寻找临界情形。
总结:临界条件的寻找是关键。
2、临界问题:
分析:当入射速率很小时,电子在磁场中转动一段圆弧后又从一侧射出,速率越大,轨道半径越大,当轨道与边界相切时,电子恰好不能从射出,如图所示。电子恰好射出时,由几何知识可得:
2、长为L的水平极板间,有垂直纸面向内的匀强磁场,如图所示,磁场强度为B,板间距离也为L,板不带电,现有质量为m,电量为q的带正电粒子(不计重力),从左边极板间中点处垂直磁场以速度v平行
极板射入磁场,欲使粒
子不打在极板上,则粒
子入射速度v应满足什
么条件?
3、如图所示,电子源S能在图示纸面上360°度范围内发射速率相同的电子(质量为m、电量为e),MN是足够大的竖直挡板,与S的水平距离OS=L,挡板左侧是垂直纸面向里,磁感应强度为B的匀强磁场。
(1)要使放射的电子可能到达挡板,
电子的速度至少为多大?
(2)若S发射的电子速率为eBL/m时,
挡板被电子击中的范围有多大?
(2)速度大小一定,方向不定。
4、一匀强磁场宽度d=16cm,磁感应强度B=0.5T,电子源在A点以速度大小v=1.0×1010m/发射电子,在纸面内不同方向,从A点射入磁场(足够大)中,且在右侧边界处放一荧光屏(足够大),电子的比荷e/m=2×1011c/kg,求电子打中荧光屏的区域的长度
?
变化:如果在A点左侧无磁场,问题同上。
解:由牛顿第二定律得
R=10cm
????②
由题意得电子打到荧光屏上的区域为图中BC之间的区域:
由几何关系BC=2AB?????③
AB=
????④
代入数据得:BC=16cm???⑤
o
o1
???????????①
1、速度选择器
如图,在平行板电容器中,电场强度E和磁感应强度B相互垂直。具有某一速度v的带电粒子将沿虚线通过不发生偏转,而其它速度的带电粒子将发生偏转。这种器件能把上述速度为v的粒子选择出来,所以叫速度选择器。试证明带电粒子具有的速度v=E/B,才能沿图示的虚线通过。
三、几种实际应用
2、霍尔效应
如图,厚度为h,宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中,当电流通过导体时,在导体板的上侧面A和下侧面A′之间会产生电势差,这种现象称为霍尔效应。实验表明,当磁场不太强时,电势差为U,电流I和B的关系为U=KIB/d。式中的比例系数K为霍尔系数。设电流I是电子的定向移动形成的,电子的平均定向速度为v,电量为e,回答以下问题:
(1)达到稳定状态时,导体板上侧面A的电势
下侧面A′的电势(填“高于”、“低于”或“等于”)。
(2)电子所受洛伦兹力的大小为
。
(3)当导体板上下两侧之间的电势差为U时,电子所受静电力的大小为
(4)证明霍尔系数为K=1/ne,其中n为导体单位体积中电子的个数。
3、磁流体发电机
(1)如图,一束等离子体射入两平行金属板之间的匀强磁场中,导线CD将受到力的作用,下列说法正确的是
(
)
A、等离子体从右方射入,CD受到向左的作用力
B、等离子体从右方射入,CD受到向右的作用力
C、等离子体从左方射入,CD受到向左的作用力
D、等离子体从左方射入,CD受到向右的作用力
(2)实验用磁流体发电机,两极板间距d=20cm,磁场的磁感应强度B=5T,若接入额定功率P=100W的灯泡,正好正常发光,且灯泡正常发光时电阻R=100Ω,不计发电机内阻,求:①等离子体的流速为多大?②若等离子体均为一价离子,每秒钟有多少个什么性质的离子打在下极板?
4、电磁流量计
如图为电磁流量计的示意图,非磁性管直径为d,内有导电液体流动,在垂直液体流向的方向上加一指向纸里的匀强磁场,测得液体a、b两点间的电势差为U,则管内导电液体的流量Q=
m3/s。
5、高能粒子在现代高科技活动中具有广泛应用,如微观粒子的研究、核能的生产等。粒子加速器是实现高能粒子的主要途径。如图所示为环形粒子加速器的示意图,图中实线所示环形区域内存在垂直纸面向外的大小可调节的匀强磁场,质量为m,电荷量为q的带正电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板的电势保持为零,粒子在两板之间电场中加速,每当粒子离开B板时,A板电势又突然变为零,粒子在电场的一次次加速下动能不断增大
,但绕行半径R却始终保持不变。
(1)设t=0时,粒子静止在A板小孔处,在电场作用下开始加速,并绕行第一圈。求粒子绕行n圈回到A板时获得的总动能Ek
(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,磁感应强度Bn应为多少?
(3)求粒子绕行n圈所需总时间(粒子通过A、B之间的时间不计)
(4)在粒子绕行的整个过程中,A板电势是否可始终保持+U?为什么?
5.
一个质量为m、电荷量为q的粒子,从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场,其初速度几乎为零,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。(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。
通过测出粒子圆周运动的半径,计算粒子的比荷或质量及分析同位素的仪器.
6、质谱仪
例题:一个质量为m、电荷量为q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(图3.6-4)。
⑴求粒子进入磁场时的速率。
⑵求粒子在磁场中运动的轨道半径。
质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的,他用质谱仪发现了氖20和氖22,证实了同位素的存在。现在质谱仪已经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。
练习:回旋加速器中磁场的磁感应强度为B,D形盒的直径为d,用该回旋加速器加速质量为m、电量为q的粒子,设粒子加速前的初速度为零。求:
(1)
粒子的回转周期是多大?
(2)高频电极的周期为多大?
(3)
粒子的最大动能是多大?
(4)
粒子在同一个D形盒中相邻两条轨道半径之比
课堂小结
粒子在磁场中圆周运动基本公式。
课堂小结
2.
粒子在磁场中运动处理方法。
1、找圆心:方法
2、定半径:
3、求时间:
注意:
θ用弧度
课堂小结
注意圆周运动中的有关对称规律:
(2)
粒子进入单边磁场时,入射速度与边界夹角等于出射速度与边界的夹角;
(1)
在圆形磁场区域内,沿径向射入的粒子,必沿径向射出.
作业布置
本节学案