1、带电粒子在匀强磁场中的运动公开课知识回顾、带电粒子在匀强电场中的运动知识回顾、带电粒子在匀强电场中的运动匀加速直线运动匀加速直线运动qvqvF类平抛运动类平抛运动受力分析运动一、带电粒子在匀强磁场中的运动一、带电粒子在匀强磁场中的运动qvqv匀速直线运动匀速直线运动猜想：猜想：二、二、带电粒子运动轨迹的半径带电粒子运动轨迹的半径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
2、比荷有关rvmqv2BqBmvr 三、三、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时周期带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时周期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-e2v.BT=2m/eBT=2m/eB例例 2、匀强磁场中，有两个电子分别以速率、匀强磁场中，有两个电子分别以速率v和和2v沿垂沿垂直于磁场方向运动，哪个电子先回到原来的出发点？直于磁场方向运动，哪个电子先回到原来的出发点？
3、veBmvr两个电子同时回到原来的出发点两个电子同时回到原来的出发点运动周期和电子的速率无关运动周期和电子的速率无关轨道半径与粒子射入的速度成正比轨道半径与粒子射入的速度成正比v-e两个电子轨道半径如何？两个电子轨道半径如何？励磁线圈励磁线圈电电 子子 枪枪磁场强弱选择挡磁场强弱选择挡加速电压加速电压选择挡选择挡（二）实验论证：洛伦兹力演示器（二）实验论证：洛伦兹力演示器演示实验：演示实验： 1 1、不加磁场时，观察电子束的轨迹；、不加磁场时，观察电子束的轨迹； 2 2、给线圈通电，观察电子束的轨迹；、给线圈通电，观察电子束的轨迹；匀速直线运动匀速直线运动匀速圆周运动匀速圆周运动 3 3、保持
4、初射速度、保持初射速度V V不变，改变磁感应强度不变，改变磁感应强度B B的大小，观察的大小，观察电子束的轨迹变化；电子束的轨迹变化； 4 4、保持磁感应强度、保持磁感应强度B B不变，改变初射速度不变，改变初射速度V V的大小，观察的大小，观察电子束的轨迹变化。电子束的轨迹变化。B B越大、越大、R R越小越小V V越大、越大、R R越大越大带电粒子在磁场中的运动：带电粒子在磁场中的运动：匀速直线运动匀速直线运动思考：思考：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例例1 1：一个带电粒子，沿垂直于磁
5、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粒子从粒子从b b到到a a，带负电，带负电 C C通过气泡室显示的带电粒子在匀强磁场中的运动径迹
6、通过气泡室显示的带电粒子在匀强磁场中的运动径迹导学案：问题导学案：问题4质谱仪质谱仪 如图所示，一质量为m，电荷量为q的粒子从容器A下方小孔S1飘入电势差为U的加速电场，然后让粒子垂直进入磁感应强度为B的磁场中，最后打到底片D上. (1)粒子在S1区做什么运动? (2)在S2区做何种运动，在S3区将做何种运动? (3)粒子进入磁场时的速率？ (4)粒子在磁场中运动的轨道半径？mq2vqUmv21S S221U 可得：可得：间，电场力做功获得能间，电场力做功获得能在在qmU2B1rvqmvrrvmqv,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
7、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的粒子这就是质谱仪的工作原理这就是质谱仪的工作原理 阿斯顿阿斯顿（汤姆生的学生）（汤姆生的学生）一、质谱仪一、质谱仪原理分析原理分析1 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、工作原理、工作原理将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一将质量不等、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
8、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质谱仪的两种装置质谱仪的两种装置带电粒子质量带电粒子质量m,电荷量电荷量q,由电压由电压U加速后垂直进加速后垂直进入磁感应强度为入磁感应强度为B的匀强磁场的匀强磁场,设轨道半径设轨道半径为为r,则有：则有：NUOMB221mvqU rmvqvB2 可得可得222rBUmq 带电粒子质量带电粒子质量m,电荷量电荷量q,以速度以速度v穿过速度选择穿过速度选择器器(电场强度电场强度E，磁感应强度磁感应强度B1),垂直进入磁感应强垂直进入磁感应强度为度为B2的匀强磁场的匀强磁场.设轨道半径为设轨道半径为r,则有：则有：MB2EB1NqE=qvB1rm
9、vqvB22 可得：可得：rBBEmq11 均可测定荷质比均可测定荷质比带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动回旋加速器回旋加速器世界上最大、能量最高的粒子加速器世界上最大、能量最高的粒子加速器欧洲大型强子对撞机欧洲大型强子对撞机 世界最大对撞机启动模拟宇宙大爆炸世界最大对撞机启动模拟宇宙大爆炸 中国参与研究中国参与研究 这项实验在深入地底这项实验在深入地底100米、长达米、长达27公里的环型隧道内进行。公里的环型隧道内进行。 在瑞士和法国边在瑞士和法国边界地区的地底实验室内，界地区的地底实验室内，科学家们正式展开了被科学家们正式展开了被外界形容为外界形容为“末日实验末日实验”的备受争议
10、的计划。他的备受争议的计划。他们启动了全球最大型的们启动了全球最大型的强子对撞机强子对撞机(LHC)，把把粒子运行速度加快至接粒子运行速度加快至接近光速近光速，并将互相撞击，并将互相撞击，模拟宇宙初开模拟宇宙初开“大爆炸大爆炸”后的情况。科学家希望后的情况。科学家希望借这次实验，有助解开借这次实验，有助解开宇宙间部分谜团。但有宇宙间部分谜团。但有人担心，这次实验或会人担心，这次实验或会制造小型黑洞吞噬地球，制造小型黑洞吞噬地球，令末日论流言四起。令末日论流言四起。一、直线加速器一、直线加速器1.单极加速器单极加速器带电粒子初速度为带电粒子初速度为0，将，将其加速到具有其加速到具有30MeV能能
11、量，需要多大的电压？量，需要多大的电压？+U+-q221qmvu 高压高压2.多级直线加速器多级直线加速器优点：各级电压独立，低压分级加速优点：各级电压独立，低压分级加速缺点：级数太多，占用空间太大缺点：级数太多，占用空间太大如何解决？如何解决？斯坦福直线加速器中心鸟瞰图斯坦福直线加速器中心鸟瞰图1962年斯坦福直线加速器中心成立后，开年斯坦福直线加速器中心成立后，开始建造始建造2英里长的直线加速器和实验区英里长的直线加速器和实验区 利用磁场让粒子做圆周运动！利用磁场让粒子做圆周运动！二、回旋加速器二、回旋加速器以正粒子为例以正粒子为例+-V1V1V2V2V3+-+-+-1.结构结构2.工作原
12、理工作原理以正粒子为例以正粒子为例+-V1V1V2V2V3+-+-+-例题例题 回旋加速器回旋加速器D形盒的半径为形盒的半径为r，匀强磁场的磁感应，匀强磁场的磁感应强度为强度为B，一个质量为，一个质量为m，电荷量为，电荷量为q的粒子在加速电压的粒子在加速电压为为U的加速器的中央从速度为零开始加速，根据回旋加的加速器的中央从速度为零开始加速，根据回旋加速器的这些数据计算：速器的这些数据计算：（1）交流电源的周期是？所加交变电压的频率。）交流电源的周期是？所加交变电压的频率。（2）该粒子获得的最大速度，及最大动能。）该粒子获得的最大速度，及最大动能。（3）运动的总时间）运动的总时间(不计粒子在间隙
13、中间的运动时间不计粒子在间隙中间的运动时间)。D形盒的半径越大，粒形盒的半径越大，粒子所能获得的速度越大子所能获得的速度越大警示：警示：对回旋加速器要切记以下三点：对回旋加速器要切记以下三点： 加速电场的周期必须等于回旋周期加速电场的周期必须等于回旋周期 粒子做匀速圆周运动的最大半径等于粒子做匀速圆周运动的最大半径等于D D形盒半径形盒半径 在粒子质量、电量确定的情况下，粒在粒子质量、电量确定的情况下，粒子所能达到的最大动能只与加速的半径子所能达到的最大动能只与加速的半径R R和磁和磁感应强度感应强度B B有关，与加速电压有关，与加速电压U U无关无关 想一想：有些同学认为想一想：有些同学认为
14、“加速电压加速电压U U越大，每次加速时粒子获得的越大，每次加速时粒子获得的动能越大，最后粒子飞出动能越大，最后粒子飞出D D形盒时的动能也越大这种观点对吗形盒时的动能也越大这种观点对吗? ?说说说你的观点说你的观点北京正负电子对撞机：撞出物质奥秘北京正负电子对撞机：撞出物质奥秘 大科学装置的存在和应用水大科学装置的存在和应用水平，是一个国家科学技术发展的平，是一个国家科学技术发展的具象。它如同一块巨大的磁铁，具象。它如同一块巨大的磁铁，能够集聚智慧，构成一个多学科能够集聚智慧，构成一个多学科阵地。作为典型的大科学装置，阵地。作为典型的大科学装置，北京正负电子对撞机的重大改造北京正负电子对撞机
15、的重大改造工程就是要再添磁力。工程就是要再添磁力。 北京正负电子对撞机在我国大科学装置工程中赫赫有名，北京正负电子对撞机在我国大科学装置工程中赫赫有名，为示范之作。为示范之作。1988年年10月月16日凌晨实现第一次对撞时，曾被日凌晨实现第一次对撞时，曾被形容为形容为“我国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后，我国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后，在高科技领域又一重大突破性成就在高科技领域又一重大突破性成就”。北京正负对撞机重大改。北京正负对撞机重大改造工程的实施，将让这一大科学装置造工程的实施，将让这一大科学装置“升级换代升级换代”，继续立在，继续立在国际高能物理的前端。国际高能
16、物理的前端。 北京正负电子对撞机重大改造工程完工后，北京正负电子对撞机重大改造工程完工后，将成为世界上将成为世界上最先进的双环对撞机之一最先进的双环对撞机之一。 课堂小结：课堂小结：一、带电粒子在匀强磁场中的运动规律一、带电粒子在匀强磁场中的运动规律质谱仪质谱仪1 1、v vB B 时，匀速直线运动时，匀速直线运动2 2、v vB B 时，匀速圆周运动时，匀速圆周运动洛伦兹力提供向心力洛伦兹力提供向心力rmvqvB2qBmvrqBmvrT22四、带电粒子在匀强磁场中的运动规律的应用四、带电粒子在匀强磁场中的运动规律的应用半径：半径：周期：周期：（与（与R，V无关）无关）二、二、三、三、课堂练习课堂练习：带电粒子垂直匀强磁场方向运动时，会：带电粒子垂直匀强磁场方向运动时，会受到洛伦兹力的作用，做匀速圆周运动下列表述受到洛伦兹力的作用，做匀速圆周运动下列表述正确的是正确的是 ( () )A A洛伦兹力对带电粒子做功洛伦兹力对带电粒子做功B B洛伦兹力不改变带电粒子的动能洛伦兹力不改变带电粒子的动能C C磁感应强度磁感应强度B B越大，圆周运动的半径越大越大，圆周运动的半径越大D D圆周运动的速度越大，周期越小圆周运动的速度越大，周期越小B B
