(2019) 新人教版高中物理选择性必修二第一章:1.3带电粒子在匀强磁场中运动ppt课件.ppt
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- 新人 高中物理 选择性 必修 第一章 1.3 带电 粒子 磁场 运动 ppt 课件 下载 _选择性必修 第二册_人教版(2019)_物理_高中
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1、1.3带电粒子在匀强磁场中的运动带电粒子在匀强磁场中的运动有界磁场中的动态分析有界磁场中的动态分析何为有界磁场?何为有界磁场?3、某些带电体是否考虑重力,要根据题目暗示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或运动状态来判定磁场中的带电粒子一般可分为两类:磁场中的带电粒子一般可分为两类:1、带电的、带电的基本粒子基本粒子:如电子,质子,:如电子,质子,粒子,粒子,正负离子等。这些粒子所受重力和洛伦兹力相正负离子等。这些粒子所受重力和洛伦兹力相比小得多,除非有说明或明确的暗示以外,一比小得多,除非有说明或明确的暗示以外,一般都不考虑重力。(但并不能忽略质量)。般都不考虑重力。(但并
2、不能忽略质量)。2、带电微粒带电微粒:如带电小球、液滴、尘埃等。除:如带电小球、液滴、尘埃等。除非有说明或明确的暗示以外,一般都考虑重力。非有说明或明确的暗示以外,一般都考虑重力。判断下图中带电粒子(电量判断下图中带电粒子(电量q q,重力不计)所受洛伦兹力的大小和,重力不计)所受洛伦兹力的大小和方向:方向: - B v + v B 匀速直线运动匀速直线运动FF=0一、一、 带电粒子在匀强磁场中的运动(重力不计)带电粒子在匀强磁场中的运动(重力不计)匀速圆周运动匀速圆周运动粒子运动方向与磁场有一夹角(大于粒子运动方向与磁场有一夹角(大于0度小于度小于90度)度)轨迹为螺线轨迹为螺线洛伦兹力演示
3、仪洛伦兹力演示仪SN励磁线圈:作用是能在两线圈之间产生平行于作用是能在两线圈之间产生平行于两线圈中心的连线的匀强磁场两线圈中心的连线的匀强磁场加速电场:作用是改变电子束出射的速度+温馨提示3. 匀速圆周运动匀速圆周运动v,T与与r的关系的关系4. 向心力大小表达式向心力大小表达式洛伦兹力洛伦兹力vrT2rmvF2 向向只受洛伦兹力只受洛伦兹力匀强磁场匀强磁场v B二、二、带电粒子运动轨迹的半径和周期带电粒子运动轨迹的半径和周期匀强匀强磁场中带电粒子运动轨迹的半径与哪些因磁场中带电粒子运动轨迹的半径与哪些因素有关?素有关?思路思路: 带电粒子做匀速圆周运动,洛伦兹力提带电粒子做匀速圆周运动,洛伦
4、兹力提供向心力。供向心力。可见可见r与速度与速度V、磁感应强度、磁感应强度B、粒子的比荷有关、粒子的比荷有关rvmqv2BqBmvr 例例1 1、如图所示,在垂直纸面向里的匀强磁场中,如图所示,在垂直纸面向里的匀强磁场中,有有a a、b b两个电子从同一处沿垂直磁感线方向开始运两个电子从同一处沿垂直磁感线方向开始运动,动,a a的初速度为的初速度为v v,b b的初速度为的初速度为2v2v则则 A Aa a先回到出发点先回到出发点 B Bb b先回到出发点先回到出发点 C Ca a、b b的轨迹是一对内切圆,且的轨迹是一对内切圆,且b b的半径大的半径大 D Da a、b b的轨迹是一对外切圆
5、,且的轨迹是一对外切圆,且b b的半径大的半径大 ab例例2 2:一个带电粒子,沿垂直于磁场的方向:一个带电粒子,沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场粒子的一段径迹如下图所射入一匀强磁场粒子的一段径迹如下图所示径迹上的每一小段都可近似看成圆示径迹上的每一小段都可近似看成圆弧由于带电粒子使沿途的空气电离,粒子弧由于带电粒子使沿途的空气电离,粒子的能量逐渐减小的能量逐渐减小( (带电量不变带电量不变) )从图中情况从图中情况可以确定可以确定A A粒子从粒子从a a到到b b,带正电,带正电B B粒子从粒子从a a到到b b,带负电,带负电C C粒子从粒子从b b到到a a,带正电,带正电D D粒子从粒
6、子从b b到到a a,带负电,带负电 C C带电粒子在汽泡室运动径迹的照片。有的带电粒子在汽泡室运动径迹的照片。有的粒子运动过程中能量降低,速度减小,径粒子运动过程中能量降低,速度减小,径迹就呈螺旋形。迹就呈螺旋形。带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时周期有何特征?时周期有何特征?BTmvrTqm2qBvr2可知结合根据可见同一个粒子在匀强磁场中做匀速圆周可见同一个粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期与速度无关运动的周期与速度无关回旋加速器就是根据这一特点设计的回旋加速器就是根据这一特点设计的 二、二、带电粒子运动轨迹的半径和周期带电粒子运动轨迹的半径和周期
7、例例3 3、一带电粒子在磁感强度为一带电粒子在磁感强度为B B的匀强磁场中做匀速的匀强磁场中做匀速圆周运动,如它又顺利进入另一磁感强度为圆周运动,如它又顺利进入另一磁感强度为2B2B的匀强磁场的匀强磁场中仍做匀速圆周运动,则中仍做匀速圆周运动,则 A A、粒子的速率加倍,周期减半、粒子的速率加倍,周期减半 B B、粒子的速率不变,轨道半径减半、粒子的速率不变,轨道半径减半 C C、粒子的速率减半,轨道半径变为原来的、粒子的速率减半,轨道半径变为原来的 1/41/4 D D、粒子速率不变,周期减半、粒子速率不变,周期减半例例4 4一个带负电粒子(质量为一个带负电粒子(质量为m m,带电量为,带电
8、量为q q),以速率),以速率v v在磁感应强度为在磁感应强度为B B的匀强磁场中做逆时针圆周运动(沿的匀强磁场中做逆时针圆周运动(沿着纸面),则该匀强磁场的方向为垂直于纸面向里还是着纸面),则该匀强磁场的方向为垂直于纸面向里还是向外?粒子运转所形成的环形电流的大小为多大?向外?粒子运转所形成的环形电流的大小为多大?-m,qvF=qvB.B匀强磁场的方向为垂直于纸面向外I=q/tI=q/TT=2T=2(mv/qBmv/qB)/v /v vrT2rmvqvB2qBmvr 2mTqBI=q/T=qI=q/T=q2 2B/2mB/2m例例5. 一束带电粒子以同一速度,并从同一位置进入匀一束带电粒子以
9、同一速度,并从同一位置进入匀强磁场,在磁场中它们的轨迹如图所示强磁场,在磁场中它们的轨迹如图所示.粒子粒子q1的轨迹的轨迹半径为半径为r1,粒子,粒子q2的轨迹半径为的轨迹半径为r2,且,且r22r1,q1、q2分别是它们的带电量分别是它们的带电量.则则 q1 带带_电、电、q2带带_电,荷电,荷质比之比为质比之比为 q1/m1 : q2/m2 _.r1r2v2:1正正负负解解: r=mv/qBq/m=v/Br1/rq 1/m1 : q2 /m2 = r2/r1 = 2:1返回返回例例6. 如图所示,水平导线中有稳恒电流通过,导线如图所示,水平导线中有稳恒电流通过,导线正下方电子初速度方向与电
10、流方向相同,其后电子正下方电子初速度方向与电流方向相同,其后电子将将 ( ) (A)沿沿a运动,轨迹为圆;运动,轨迹为圆;(B)沿沿a运动,曲率半径越来越小;运动,曲率半径越来越小;(C)沿沿a运动,曲率半径越来越大;运动,曲率半径越来越大;(D)沿沿b运动,曲率半径越来越小运动,曲率半径越来越小. bvaIC例例7. 质子和氘核经同一电压加速,垂直进入匀强磁质子和氘核经同一电压加速,垂直进入匀强磁场中,则质子和氘核的动能场中,则质子和氘核的动能E1、E2,轨道半径,轨道半径r1、r2的关系是的关系是 ( )(A)E1E2,r1r2; (B)E1E2,r1r2;(C)E1E2,r1r2; (D
11、)E1E2,r1r2. B返回返回例例8:8:一个质量为一个质量为m m、电荷量为、电荷量为q q的粒子,从容器的粒子,从容器下方的小孔下方的小孔S S1 1飘入电势差为的加速电场,然后飘入电势差为的加速电场,然后经过经过S S3 3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为的匀强磁场中,最后打到照相底片上,求:的匀强磁场中,最后打到照相底片上,求: ()求粒子进入磁场时的速率()求粒子进入磁场时的速率()求粒子在磁场中运动的轨道半径()求粒子在磁场中运动的轨道半径mq2vqUmv21S S221U 可可得得:间间,电电场场力力做做功功获获得得能能在在qmU2B1
12、rvqmvrrvmqv,v2 可得:可得:代入代入洛仑兹力提供向心力洛仑兹力提供向心力垂直进入磁场垂直进入磁场以速度以速度BB 可见半径不同可见半径不同意味着比荷不同,意味着比荷不同,意味着它们是不同意味着它们是不同的粒子,若的粒子,若q q不变,不变,r r不同,不同,m m也就不同也就不同这就是质谱仪的工作原理这就是质谱仪的工作原理拓展、质谱仪的两种装置拓展、质谱仪的两种装置带电粒子质量带电粒子质量m m, ,电荷量电荷量q q, ,由由电压电压U U加速后加速后垂直进入磁感垂直进入磁感应强度为应强度为B B的匀强磁场的匀强磁场, ,设轨道半径设轨道半径为为r r, ,则有则有:NUOMB
13、221mvqU rmvqvB2 可得可得222rBUmq 带电粒子质量带电粒子质量m m, ,电荷量电荷量q q, ,以以速度速度v v穿过速度选择器穿过速度选择器( (电电场强度场强度E E,磁感应强度,磁感应强度B B1 1),),垂直进入磁感应强度为垂直进入磁感应强度为B B2 2的匀的匀强磁场强磁场. .设轨道半径为设轨道半径为r r, ,则有:则有:MB2EB1NqE=qvB1rmvqvB22 可得:可得:rBBEmq11 均可测定荷质比均可测定荷质比qmUBR211 1、质谱仪、质谱仪: :是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具2 2、工作
14、原理将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一、工作原理将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一电场加速电场加速再垂直进入同一再垂直进入同一匀强磁场匀强磁场,由于粒子质量不同,由于粒子质量不同,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的种类三、质谱仪三、质谱仪原理分析原理分析 (2)构造:如下图所示,主要由以下几部分构造:如下图所示,主要由以下几部分组成:组成: 带电粒子注射器带电粒子注射器 加速电场加速电场(U) 速度选择器速度选择器(B1、E) 偏转磁场偏转磁场(B2) 照相底片照相底片 UqSS1xPB ADqmUBxR2121
15、 例例1010、改进的质谱仪原理如图所示,、改进的质谱仪原理如图所示,a a为粒子加速器,为粒子加速器,电压为电压为U U1 1;b b为速度选择器,磁场与电场正交,磁感应强为速度选择器,磁场与电场正交,磁感应强度为度为B B1 1,板间距离为,板间距离为d d;c c为偏转分离器,磁感应强度为为偏转分离器,磁感应强度为B B2 2。今有一质量为。今有一质量为m m、电量为、电量为+e+e的正电子的正电子( (不计重力不计重力) ),经,经加速后,该粒子恰能通过速度选择器,粒子进入分离器加速后,该粒子恰能通过速度选择器,粒子进入分离器后做半径为后做半径为R R的匀速圆周运动。求:的匀速圆周运动
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