1.3带电粒子在有界磁场中的运动ppt课件-(2019) 新人教版高中物理高二下学期选择性必修二.pptx
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1、1.3带电粒子在磁场中运动带电粒子在磁场中运动习题课一习题课一1. 1.带电粒子在匀强磁场中带电粒子在匀强磁场中运动运动( ),( ),只受洛伦兹只受洛伦兹力作用力作用, ,做做 . . RvmqvB2Bv qBmvR 2.2.洛伦兹力提供向心力洛伦兹力提供向心力: :半径半径: :带电粒子在匀强磁场中的运动规律带电粒子在匀强磁场中的运动规律周期周期: :vRT 2 qBmT 2 匀速圆周运动匀速圆周运动ovF-一一.两个公式:两个公式:VVVV带电粒子做圆周运动的分析方法带电粒子做圆周运动的分析方法VV一、带电粒子做圆周运动的分析方一、带电粒子做圆周运动的分析方法法二、几个重要的几何关系:二
2、、几个重要的几何关系:四四点点三三角角两两三角(三角(形形)一一根根线线(半径):(半径): vvO(偏向角)偏向角) 粒子粒子速度的偏向角速度的偏向角等与等与圆心角圆心角,并等于,并等于AB弦弦与与切切线的夹线的夹角角(弦切角)的倍即(弦切角)的倍即=2(四点三角两形一线)(四点三角两形一线)带电粒子做圆周运动的分析方法带电粒子做圆周运动的分析方法三、解题步骤:画轨、定心、求半径三、解题步骤:画轨、定心、求半径 1.定心方法:定心方法:(1)两)两v(径)定心:(径)定心:已知入射方向和出射方向已知入射方向和出射方向, 与速度垂直的半与速度垂直的半径交点径交点就是就是圆弧轨道的圆弧轨道的圆心
3、圆心。 (2)一径一弦定心:)一径一弦定心:已知入射方向和出射点的位置已知入射方向和出射点的位置时,半径与弦时,半径与弦中垂线的交点中垂线的交点就是就是圆弧轨道的圆弧轨道的圆心圆心。V VP PM MO OV V0 0P PM MO OV V(3)若仅知道粒子进入磁场前与离开磁场后的速度方向,)若仅知道粒子进入磁场前与离开磁场后的速度方向,可找两速度方向延长线夹角的平分线以确定圆心的位置范围,可找两速度方向延长线夹角的平分线以确定圆心的位置范围,再结合其他条件确定圆心的准确位置。再结合其他条件确定圆心的准确位置。带电粒子做圆周运动的分析方法带电粒子做圆周运动的分析方法2、求半径:、求半径: 一
4、般利用几何知识,常用解三角形一般利用几何知识,常用解三角形的方法。的方法。运动时间:运动时间:vsTTt23600四、运动时间的求解:四、运动时间的求解:vvO(偏向角)偏向角) 粒子粒子速度的偏向角速度的偏向角等于等于圆心角圆心角五、关注三类典型问题五、关注三类典型问题1.1.带电粒子在有界磁场中做带电粒子在有界磁场中做圆弧圆弧运动;运动;2.2.带电粒子在磁场中运动时的一些带电粒子在磁场中运动时的一些临界临界问题问题的讨论的讨论3.3.多解问题多解问题带电粒子在磁场中运动带电粒子在磁场中运动vvvvvvvvvvvvvOBAvvrrPMNBO2vv22SvvBPSvSQPQQ量变积累到一定程
5、度发生质变,出现临界状态量变积累到一定程度发生质变,出现临界状态P三、垂直边界三、垂直边界例例. . 一个质量为一个质量为m m电荷量为电荷量为q q的带电粒子从的带电粒子从x x轴上的轴上的P P(a a,0 0)点)点以速度以速度v v,沿与,沿与x x正方向成正方向成6060的方向射入第一象限内的匀强磁的方向射入第一象限内的匀强磁场中,并恰好垂直于场中,并恰好垂直于y y轴射出第一象限。求:轴射出第一象限。求:(1 1)匀强磁场的磁感应强度)匀强磁场的磁感应强度B B和射出点的坐标。和射出点的坐标。(2 2)带电粒子在磁场中的运动时间是多少?)带电粒子在磁场中的运动时间是多少? yxoB
6、vvaO/rmv2Bqv Bqmvr32cosraaaqmv23B a33atan =OOa3OOr=yBqmBqmvvvr222T 2)(BqmT323T360120t解:(解:(1)ovBdabcvB量变积累到一定程度发生质变,出现临界状态(轨迹与边界相切)量变积累到一定程度发生质变,出现临界状态(轨迹与边界相切)究竟从哪个边先出还要看边界的长宽究竟从哪个边先出还要看边界的长宽V0Oabcd300600BvvOOrrr径向入、径向出径向入、径向出O1O2O3O4r vr vR Rv vO O/O OBvvOOr22BvvOOrrr径向入、径向出径向入、径向出偏心入、偏心出偏心入、偏心出例例
7、. .如图如图1414所示所示, ,边长为边长为L L的等边三角形的等边三角形ABCABC为两个为两个有界匀强磁场的理想边界有界匀强磁场的理想边界, ,三角形内的磁场方向三角形内的磁场方向垂直纸面向外垂直纸面向外, ,磁感应强度大小为磁感应强度大小为B,B,三角形外的三角形外的磁场磁场( (足够大足够大) )方向垂直纸面向里方向垂直纸面向里, ,磁感应强度大磁感应强度大小也为小也为B.B.把粒子源放在顶点把粒子源放在顶点A A处处, ,它将沿它将沿AA的角的角平分线发射质量为平分线发射质量为m m、电荷量为、电荷量为q q、初速度为、初速度为v=v= 的负电粒子的负电粒子( (粒子重力不计粒子
8、重力不计).).求求: :mqBL图图1414(1)(1)从从A A射出的粒子第一次到达射出的粒子第一次到达C C点所用时间为多少点所用时间为多少? ?(2)(2)带电粒子在题设的两个有界带电粒子在题设的两个有界磁场中运动的周期磁场中运动的周期. .六、三角形磁场解析解析 (1)(1)带电粒子垂直进入磁场带电粒子垂直进入磁场, ,做匀速圆周运动做匀速圆周运动q qv vB B= =T T= =将已知条件代入有将已知条件代入有r r = =L L从从A A点到达点到达C C点的运动轨点的运动轨迹如图所示迹如图所示, ,可得可得qBm2rm2vt tACAC= = T Tt tACAC= =(2)
9、(2)带电粒子在一个运动的周期运动轨迹如第带电粒子在一个运动的周期运动轨迹如第(1)(1)问图所示问图所示. .粒子通过圆弧从粒子通过圆弧从C C点运动至点运动至B B点的时间为点的时间为t tCBCB= =带电粒子运动的周期为带电粒子运动的周期为T TABCABC=3(=3(t tACAC+ +t tCBCB) )解得解得T TABCABC= =答案答案 (1) (1) (2)(2)61qBm3qBmT3565qBm6qBm3qBm6r1OO2例例1 1、如图直线、如图直线MNMN上方有磁感应强度为上方有磁感应强度为B B的匀的匀强磁场。正、负电子同时从同一点强磁场。正、负电子同时从同一点O
10、 O以与以与MNMN成成3030角的同样速度角的同样速度v v射入磁场(电子质量为射入磁场(电子质量为m m,电荷为电荷为e e),),它们从磁场中射出时相距多远?它们从磁场中射出时相距多远?射出的时间差是多少?射出的时间差是多少?MNBOv2mvsBe 43mtBq 例例2 2、一带电质点,质量为一带电质点,质量为m m,电量为电量为q q,以平行于以平行于x x轴的速轴的速度度v v从从y y轴上的轴上的a a点射入图中第一象限所示的区域,为了使该点射入图中第一象限所示的区域,为了使该质点能从质点能从x x轴上的轴上的b b点以垂直于点以垂直于x x轴的速度轴的速度v v射出,可在适当射出
11、,可在适当的地方加一个垂直于的地方加一个垂直于xyxy平面、磁感强度为平面、磁感强度为B B的匀强磁场。若的匀强磁场。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。重力忽略不计最小半径。重力忽略不计qBmvRRvmqBv,:2解解qBmvRMNr222221例例3 3、如图、如图, ,在一水平放置的平板在一水平放置的平板MNMN上方有匀上方有匀强磁场强磁场, ,磁感应强度的大小为磁感应强度的大小为B,B,磁场方向垂磁场方向垂直于纸面向里直于纸面向里, ,许多质量为许多质量为m,m,带电量为带电量为+ +q q的的粒子粒子, ,以
12、相同的速率以相同的速率v v沿位于纸面内的各个方沿位于纸面内的各个方向向, ,由小孔由小孔O O射入磁场区域射入磁场区域, ,不计重力不计重力, ,不计粒不计粒子间的相互影响。下列图中阴影部分表示带子间的相互影响。下列图中阴影部分表示带电粒子可能经过的区域电粒子可能经过的区域, ,其中其中R=mv/qBR=mv/qB。哪个哪个图是正确的图是正确的? ( )? ( )2RR2RMNO2RR2RMNO2R2R2RMNOR2R2RMNOD.A.B.C.AMNBOBMBOvBvFBvFBv2RR2RMNO解解: :带电量为带电量为+ +q q的粒子,以相同的速率的粒子,以相同的速率v v沿位于纸面内沿
13、位于纸面内的各个方向,由小孔的各个方向,由小孔 O O 射入磁场区域,由射入磁场区域,由R=mv/qB,R=mv/qB,各个粒子在磁场中运动的半径均相同各个粒子在磁场中运动的半径均相同, , 在磁场中运动的轨迹圆圆心是在以在磁场中运动的轨迹圆圆心是在以O为圆心、以为圆心、以R=mv/qB为半径的为半径的1/2圆弧上,如图虚线示圆弧上,如图虚线示: 各粒子的运动轨迹如图实线示各粒子的运动轨迹如图实线示: 带电粒子可能经过的区域阴影部分如图斜线示带电粒子可能经过的区域阴影部分如图斜线示例例4 4、核聚变反应需要几百万度以上的高温,为把高温条件下、核聚变反应需要几百万度以上的高温,为把高温条件下高速
14、运动的离子约束在小范围内(否则不可能发生核反应),高速运动的离子约束在小范围内(否则不可能发生核反应),通常采用磁约束的方法(托卡马克装置)。如图所示,环状匀通常采用磁约束的方法(托卡马克装置)。如图所示,环状匀强磁场围成中空区域,中空区域中的带电粒子只要速度不是很强磁场围成中空区域,中空区域中的带电粒子只要速度不是很大,都不会穿出磁场的外边缘而被约束在该区域内。设环状磁大,都不会穿出磁场的外边缘而被约束在该区域内。设环状磁场的内半径为场的内半径为R R1 1=0.5m=0.5m,外半径外半径R R2 2=1.0m=1.0m,磁场的磁感强度磁场的磁感强度B B=1.0T=1.0T,若被束缚带电
15、粒子的荷质比为若被束缚带电粒子的荷质比为q/mq/m=4=410107 7C/C/,中空中空区域内带电粒子具有各个方向的速度。试计算区域内带电粒子具有各个方向的速度。试计算(1 1)粒子沿环状的半径方向射入磁场,不能穿越磁场的最大)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。速度。(2 2)所有粒子不能穿越磁场的最大速度。所有粒子不能穿越磁场的最大速度。解析:(解析:(1 1)要粒子沿环状的半径方向射入磁场,不能穿越磁)要粒子沿环状的半径方向射入磁场,不能穿越磁场,则粒子的临界轨迹必须要与外圆相切场,则粒子的临界轨迹必须要与外圆相切, ,轨迹如图所示。轨迹如图所示。由图中知,由图中知
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