2019-2020學(xué)年高中物理 第三章 磁場 6 帶電粒子在勻強磁場中的運動課件 新人教版選修3-1.ppt

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6帶電粒子在勻強磁場中的運動 知識自學(xué) 自我檢測 一 帶電粒子在勻強磁場中的運動閱讀教材第99頁第一至第四自然段和 帶電粒子在勻強磁場中的運動 部分 了解洛倫茲力演示儀的結(jié)構(gòu)和原理 理解帶電粒子垂直射入勻強磁場時 粒子做勻速圓周運動 1 參照課本洛倫茲力演示儀的實物照片和結(jié)構(gòu)圖 說明此儀器的組成部分和工作原理 答案 電子槍 充有稀薄氣體的玻璃泡 兩個勵磁線圈和下部的電子線路組成 電子槍產(chǎn)生電子束 電子束通過玻璃泡內(nèi)的稀薄氣體時能夠顯示電子的徑跡 兩個勵磁線圈能產(chǎn)生與兩線圈中心連線平行的勻強磁場 電子速度的大小和磁感應(yīng)強度可以通過電子槍的加速電壓和勵磁線圈的電流來調(diào)節(jié) 知識自學(xué) 自我檢測 2 洛倫茲力的特點帶電粒子所受的洛倫茲力方向總與速度方向垂直 在速度方向沒有分量 所以洛倫茲力不改變速度的大小 即洛倫茲力對帶電粒子不做功 不改變粒子的能量 3 帶電粒子在勻強磁場中的運動 1 運動特點 垂直射入勻強磁場的帶電粒子做勻速圓周運動 其向心力就是洛倫茲力 2 半徑和周期公式 一帶電粒子的質(zhì)量為m 電荷量為q 速率為v 它在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中做圓周運動 根據(jù)洛倫茲力提供向心力可得4 物理學(xué)研究中還可以通過哪些方法顯示粒子的徑跡 答案 可以讓粒子通過云室和氣泡室 顯示它們的徑跡 知識自學(xué) 自我檢測 二 質(zhì)譜儀閱讀教材第100頁 例題 部分 了解質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)和作用 1 質(zhì)譜儀的組成由粒子源容器 加速電場 偏轉(zhuǎn)磁場和底片組成 2 質(zhì)譜儀的用途質(zhì)譜儀最初是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計的 他用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了氖20和氖22 證實了同位素的存在 質(zhì)譜儀是測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具 知識自學(xué) 自我檢測 三 回旋加速器閱讀教材第101 102頁 回旋加速器 部分 了解多級加速器和回旋加速器的結(jié)構(gòu) 初步了解回旋加速器的工作原理 1 為什么要設(shè)計多級加速器 有什么缺點 答案 由動能定理得 可見電場電壓越高 粒子離開電場后的能量越高 由于技術(shù)條件的限制 兩極電壓不可能無限提高 因此常常采用多級加速的辦法 在多級加速器中粒子做直線運動 加速裝置要很長很長 占有的空間范圍大 在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制 2 參照課本回旋加速器的原理圖 簡述回旋加速器組成 答案 兩個中空的半圓金屬盒 兩盒間有電勢差U 兩個半圓盒處于與盒面垂直的勻強磁場中 知識自學(xué) 自我檢測 1 正誤判斷 1 帶電粒子在磁場中一定做勻速圓周運動 解析 只有當(dāng)粒子垂直射入勻強磁場中時 粒子才做勻速圓周運動 答案 2 帶電粒子在磁場中運動的速度越大 則周期越大 解析 由可知 帶電粒子在磁場中的運動周期與粒子速度無關(guān) 答案 3 帶電粒子在勻強磁場中做圓周運動的半徑與粒子的質(zhì)量和速度無關(guān) 解析 根據(jù)半徑公式可知 半徑r與粒子的質(zhì)量和速度有關(guān) 答案 知識自學(xué) 自我檢測 4 利用質(zhì)譜儀可以測定帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素 解析 利用質(zhì)譜儀可以測定帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素 答案 5 當(dāng)交變電壓的周期等于帶電粒子在磁場中運動的周期時 回旋加速器中的粒子才能被加速 解析 粒子被加速后 進入磁場 經(jīng)過1個半圓的時間 再次進入電場被加速 再次進入磁場 經(jīng)過1個半圓被加速 即交變電場或交變電壓的周期等于帶電粒子在磁場中運動的周期 答案 知識自學(xué) 自我檢測 6 回旋加速器能把粒子加速到光速 解析 回旋加速器加速的帶電粒子 能量達到25 30MeV后 就很難再加速了 原因是 按照狹義相對論 粒子的質(zhì)量隨著速度的增加而增大 而質(zhì)量的變化會導(dǎo)致其旋轉(zhuǎn)周期的變化 交變電場的頻率不再跟粒子運動頻率一致 這樣就破壞了加速器的工作條件 進一步提高粒子的速率就不可能了 所以回旋加速器不能把粒子加速到光速 答案 知識自學(xué) 自我檢測 2 兩個粒子 帶電荷量相等 在同一勻強磁場中只受到磁場力作用而做勻速圓周運動 則 A 若速率相等 則半徑必相等B 若質(zhì)量相等 則周期必相等C 若動能相等 則半徑必相等D 若動能相等 則周期必相等答案 B 知識自學(xué) 自我檢測 3 關(guān)于回旋加速器中電場和磁場的作用的敘述 正確的是 A 電場和磁場都對帶電粒子起加速作用B 電場和磁場是交替地對帶電粒子做功的C 只有電場對帶電粒子起偏轉(zhuǎn)作用D 磁場的作用是使帶電粒子在D形盒中做勻速圓周運動解析 回旋加速器中的電場是對粒子加速的 磁場是改變粒子方向的 因為洛倫茲力和速度方向垂直 不做功 選項D正確 答案 D 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 帶電粒子在勻強磁場中的運動如圖所示 可用洛倫茲力演示儀觀察運動電子在磁場中的偏轉(zhuǎn) 1 不加磁場時 電子束的運動軌跡如何 加上磁場時 電子束的運動軌跡如何 2 如果保持出射電子的速度不變 增大磁感應(yīng)強度 軌跡圓半徑如何變化 如果保持磁感應(yīng)強度不變 增大出射電子的速度 圓半徑如何變化 要點提示 1 一條直線 一個圓周 2 減小 增大 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 1 理論分析垂直進入勻強磁場的帶電粒子做勻速圓周運動洛倫茲力總與速度方向垂直 洛倫茲力不改變帶電粒子速度的大小 洛倫茲力的大小也不改變 正好起到向心力的作用 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 帶電粒子 不計重力 以一定的速度v進入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場時的運動軌跡 1 當(dāng)v B時 帶電粒子將做勻速直線運動 2 當(dāng)v B時 帶電粒子將做勻速圓周運動 3 當(dāng)帶電粒子斜射入磁場時 帶電粒子將沿螺旋線運動 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 例題1 如圖所示 a和b所帶電荷量相同 以相同動能從A點射入磁場 在勻強磁場中做圓周運動的半徑ra 2rb 則可知 重力不計 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 例題2 如圖所示 一束電荷量為e的電子以垂直于磁場方向 磁感應(yīng)強度為B 并垂直于磁場邊界的速度v射入寬度為d的磁場中 穿出磁場時速度方向和原來射入方向的夾角為 60 求電子的質(zhì)量和穿越磁場的時間 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 帶電粒子做勻速圓周運動問題的分析方法 1 圓心的確定方法 兩線定一點 圓心一定在垂直于速度的直線上 如圖甲所示 已知入射點P 或出射點M 的速度方向 可通過入射點和出射點作速度的垂線 兩條直線的交點就是圓心 圓心一定在弦的中垂線上 如圖乙所示 作P M連線的中垂線 與其中一個速度的垂線的交點為圓心 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 質(zhì)譜儀下圖為質(zhì)譜儀原理示意圖 設(shè)粒子質(zhì)量為m 電荷量為q 加速電場電壓為U 偏轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強度為B 則粒子進入磁場時的速度是多大 打在底片上的位置到S3的距離多大 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 例題3 如圖所示為質(zhì)譜儀的原理圖 利用這種質(zhì)譜儀可以對氫元素進行測量 氫元素的各種同位素 從容器A下方的小孔S1進入加速電壓為U的加速電場 可以認為從容器出來的粒子初速度為零 粒子被加速后從小孔S2進入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場 最后打在照相底片D上 形成a b c三條質(zhì)譜線 關(guān)于氫的三種同位素進入磁場時速率的排列順序和三條譜線的排列順序 下列說法中正確的是 A 進磁場時速率從大到小的排列順序是氕 氘 氚B 進磁場時速率從大到小的排列順序是氚 氘 氕C a b c三條譜線的排列順序是氕 氘 氚D a b c三條譜線的排列順序是氘 氚 氕 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 答案 A 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 回旋加速器下圖是回旋加速器的原理圖 已知D形盒的半徑為R 勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B 交變電流的周期為T 若用該回旋加速器來加速質(zhì)子 設(shè)質(zhì)子的質(zhì)量為m 電荷量為q 請思考 1 回旋加速器中磁場和電場分別起什么作用 質(zhì)子每次經(jīng)過狹縫時 動能的增加量是多少 2 對交流電源的周期有什么要求 3 帶電粒子獲得的最大動能由哪些因素決定 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 要點提示 1 磁場的作用是使帶電粒子回旋 電場的作用是使帶電粒子加速 動能的增加量為qU 2 交流電源的周期應(yīng)等于帶電粒子在磁場中運動的周期 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 粒子最終獲得的動能與加速電壓U無關(guān) 加速電壓U的大小只影響粒子在回旋加速器中運動的時間 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 例題4 多選 一個用于加速質(zhì)子的回旋加速器 其核心部分如圖所示 D形盒半徑為R 垂直D形盒底面的勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B 兩盒分別與交流電源相連 設(shè)質(zhì)子的質(zhì)量為m 電荷量為q 則下列說法正確的是 A D形盒之間交變電場的周期為B 質(zhì)子被加速后的最大速度隨B R的增大而增大C 質(zhì)子被加速后的最大速度隨加速電壓的增大而增大D 只要R足夠大 質(zhì)子的速度可以被加速到任意值 探究一 探究二 探究三 當(dāng)堂檢測 問題探究 名師精講 典例剖析 探究三 當(dāng)堂檢測 探究一 探究二 1 2 1 多選 如圖所示 兩個勻強磁場的方向相同 磁感應(yīng)強度分別為B1 B2 虛線MN為理想邊界 現(xiàn)有一個質(zhì)量為m 電荷量為e的電子以垂直于邊界MN的速度v由P點沿垂直于磁場的方向射入磁感應(yīng)強度為B1的勻強磁場中 其運動軌跡為圖中虛線所示的心形圖線 以下說法正確的是 A 電子的運動軌跡為P D M C N E PB 電子運動一周回到P點所用的時間C B1 4B2D B1 2B2 3 探究三 當(dāng)堂檢測 探究一 探究二 1 2 3 探究三 當(dāng)堂檢測 探究一 探究二 1 2 2 質(zhì)譜儀是測帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的一種儀器 它的工作原理是帶電粒子 不計重力 經(jīng)同一電場加速后垂直進入同一勻強磁場做圓周運動 然后利用相關(guān)規(guī)律計算出帶電粒子的質(zhì)量 其工作原理如圖所示 虛線為某粒子的運動軌跡 由圖可知 A 此粒子帶負電B 下極板S2比上極板S1電勢高C 若只增大加速電壓U 則半徑r變大D 若只增大入射粒子的質(zhì)量 則半徑r變小 3 探究三 當(dāng)堂檢測 探究一 探究二 1 2 合左手定則可知 該粒子帶正電 故A錯誤 粒子經(jīng)過電場要加速 因粒子帶正電 所以下極板S2比上極板S1電勢低 故B錯誤 若只增大加速電壓U 由上式可知 則半徑r變大 故C正確 若只增大入射粒子的質(zhì)量 由上式可知 則半徑也變大 故D錯誤 答案 C 3 探究三 當(dāng)堂檢測 探究一 探究二 1 2 3 3 多選 如圖所示 回旋加速器是用來加速帶電粒子使它獲得很大動能的裝置 其核心部分是兩個D形金屬盒 置于勻強磁場中 兩盒分別與高頻電源相連 下列說法正確的有 A 粒子被加速后的最大速度隨磁感應(yīng)強度和D形盒的半徑的增大而增大B 粒子被加速后的最大動能隨高頻電源的加速電壓的增大而增大C 高頻電源頻率由粒子的質(zhì)量 電荷量和磁感應(yīng)強度決定D 粒子從磁場中獲得能量 探究三 當(dāng)堂檢測 探究一 探究二 1 2 3 答案 AC