高中物理 第3章 磁場 第6節(jié) 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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第6節(jié) 帶電粒子在勻強磁場中的運動,,(教師參考) 一、教學目標 知識與技能 1.理解帶電粒子的初速度方向與磁感應強度的方向垂直時,粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動 2.會推導帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑、周期公式,知道它們與哪些因素有關 3.了解質(zhì)譜儀、回旋加速器的工作原理,并以此為情景進行有關問題的分析、計算 過程與方法 1.通過洛倫茲力演示儀使學生知道帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動 2.利用圓周運動的知識分析質(zhì)譜儀、回旋加速器的原理 情感態(tài)度與價值觀 通過本節(jié)知識的學習,充分了解科技的巨大威力,體會科技的創(chuàng)新與應用歷程,培養(yǎng)學生科學探究的素養(yǎng),,二、教學重點難點 教學重點 帶電粒子在勻強磁場中的受力及運動分析 教學難點 解決帶電粒子在勻強磁場中的運動問題 三、重難點突破方略 帶電粒子在勻強磁場中的運動實驗演示的突破方略 【實驗設置】 先介紹洛倫茲力演示儀的工作原理.由電子槍發(fā)出的電子射線,可以使管內(nèi)的低壓水銀蒸氣發(fā)出輝光,顯示出電子的徑跡,電子射線的速度可以通過電子槍的加速電壓來調(diào)節(jié).勵磁線圈能產(chǎn)生垂直于電子射線的勻強磁場,可以通過調(diào)節(jié)勵磁線圈的電流來改變勻強磁場的強弱.,,【演示1】 不加磁場作用,并提問:電子射線的徑跡是什么形狀? 學生:電子射線的徑跡是直線. 【演示2】 調(diào)節(jié)勵磁線圈的電流,加垂直屏幕向外的磁場,并提問:電子射線的徑跡是什么形狀? 學生:電子射線的徑跡變彎曲成圓形. 【演示3】 保持出射電子的速度不變,增大勵磁線圈的電流,并提問:磁感應強度的大小如何變化?電子射線的徑跡圓的半徑發(fā)生了什么變化?減小勵磁線圈的電流,并提問:磁感應強度的大小如何變化?電子射線的徑跡圓的半徑又發(fā)生了什么變化? 學生:增大勵磁線圈的電流,磁感應強度增大,徑跡圓的半徑變小;減小勵磁線圈的電流,磁感應強度減小,徑跡圓的半徑變大. 教師:磁場越強,徑跡的半徑越小.,,【演示4】 保持磁感應強度不變,增大電子槍的加速電壓,并提問:電子速度的大小如何變化?電子射線的徑跡圓的半徑發(fā)生了什么變化?減小電子槍的加速電壓,并提問:電子速度的大小如何變化?電子射線的徑跡圓的半徑又發(fā)生了什么變化? 學生:增大電子槍的加速電壓,電子速度增大,徑跡圓的半徑變大.減小電子槍的加速電壓,電子速度減小,徑跡圓的半徑變小. 教師:電子的出射速度越大,徑跡圓的半徑越大.,自主學習,課堂探究,達標測評,學科素養(yǎng),自主學習 課前預習感悟新知,,(教師參考) 情境鏈接一 回旋加速器 回旋加速器在高能物理及現(xiàn)代醫(yī)學上有廣泛的應用.它的主要結(jié)構(gòu)是在磁極間的真空室內(nèi)有兩個半圓形的金屬扁盒(D形盒)隔開相對放置,在兩個D形盒上加交變電壓,其間隙處產(chǎn)生交變電場.置于中心的粒子源射出帶電粒子,受到電場加速,在D形盒內(nèi)僅受磁極間磁場的洛倫茲力,在垂直磁場平面內(nèi)做圓周運動.帶電粒子經(jīng)電場加速后,在磁場中繞行半圈,再一次進入電場加速.經(jīng)過很多次加速,帶電粒子獲得很大的能量.,,1.回旋加速器中電場的作用是什么? 2.回旋加速器中磁場的作用是什么? 3.為了使帶電粒子能持續(xù)地被加速,在兩個D形盒上加交變電壓的周期與帶電粒子在磁場中做圓周運動的周期必須有什么關系? 信息 1.帶電粒子在電場中加速,獲得能量. 2.帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動,運動半圈后平行于電場方向進入電場中再一次被加速. 3.在兩個D形盒上加交變電壓的周期與帶電粒子在磁場中做圓周運動的周期必須相等.,,情境鏈接二 如圖所示,太陽發(fā)射出的帶電粒子以300～1 000 km/s的速度掃過太陽系,形成了“太陽風”.這種巨大的輻射經(jīng)過地球時,地球的磁場使這些帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn),避免了地球上的生命受到帶電粒子的輻射.當“太陽風”的帶電粒子被地磁場拉向兩極時,帶電粒子的軌跡為什么呈螺旋形?,信息 “太陽風”是高速粒子流,垂直射向地球的磁場時,會受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn),繞地球而過;在地球高緯度地方,“太陽風”與地磁場夾角較小,順著磁場勻速運動,垂直磁場圓周運動,從而呈螺旋形被拉向地球兩極.,教材梳理,一、帶電粒子在勻強磁場中的運動 閱讀教材第99頁“帶電粒子在勻強磁場中的運動”部分,知道帶電粒子在勻強磁場中運動的基本特征,了解洛倫茲力的作用,會推導軌道半徑及周期公式. 1.運動特點:沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子,在勻強磁場中做 運動.,勻速圓周,向心力,,軌道半徑,速度,想一想 帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動,若粒子速度減小,則半徑如何變化?若磁感應強度突然變大,則半徑如何變化?,答案:粒子速度減小,則半徑變小;磁感應強度突然變大,則半徑變小.,二、質(zhì)譜儀 分析教材第100頁“例題”,了解質(zhì)譜儀中粒子通過了哪兩個主要區(qū)域,在這些區(qū)域中可使用什么物理規(guī)律. 1.原理圖:如圖所示,qU,qvB,,5.應用:可以測定帶電粒子的質(zhì)量和分析 .,同位素,想一想 質(zhì)譜儀分析同位素的原理是什么?,三、回旋加速器 閱讀教材第101～102頁“回旋加速器”部分,知道回旋加速器的結(jié)構(gòu),了解磁場區(qū)域的作用、電場區(qū)域的作用及多次加速的原理. 1.構(gòu)造圖:如圖所示.,2.核心部件:兩個半圓金屬 . 3.原理:高頻交流電流的周期與帶電粒子在D形盒中的運動周期 .粒子每經(jīng)過一次加速,其軌道半徑就大一些,粒子做圓周運動的周期 .,D形盒,相同,不變,想一想 隨著回旋加速器中帶電粒子速度的增加,縫隙處電勢差的正負改變是否越來越快,以便能使粒子在縫隙處剛好被加速?為什么?,自主檢測,,答案:(1) (2) (3)√ (4),2.一個質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子,在磁感應強度為B的勻強磁場中做勻速圓周運動,則下列說法中正確的是( ) A.它所受的洛倫茲力是恒定不變的 B.它的速度是恒定不變的 C.它的速度與磁感應強度B成正比 D.它的運動周期與速度的大小無關,,D,3.兩個粒子,帶電荷量相等,在同一勻強磁場中只受洛倫茲力而做勻速圓周運動( ) 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,則周期必相等 D.若質(zhì)量相等,則半徑必相等,,B,4.(多選)帶電粒子進入云室會使云室中的氣體電離,從而顯示其運動軌跡.如圖所示是在有勻強磁場的云室中觀察到的粒子的軌跡,a和b是軌跡上的兩點,勻強磁場B垂直于紙面向里.該粒子在運動時,其質(zhì)量和電荷量不變,而動能逐漸減少,下列說法正確的是( ) A.粒子先經(jīng)過a點,再經(jīng)過b點 B.粒子先經(jīng)過b點,再經(jīng)過a點 C.粒子帶負電 D.粒子帶正電,,解析:由于粒子的速度減小,所以軌道半徑不斷減小,所以選項A正確,B錯誤;由左手定則得粒子應帶負電,選項C正確,D錯誤.,AC,課堂探究 核心導學要點探究,要點一,帶電粒子在勻強磁場中的勻速圓周運動,【問題導引】 帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的周期T會隨粒子速度變化而變化嗎?周期T與哪些因素有關?,【例1】 (2015全國新課標理綜Ⅱ)(多選)有兩個勻強磁場區(qū)域Ⅰ和Ⅱ,Ⅰ中的磁感應強度是Ⅱ中的k倍,兩個速率相同的電子分別在兩磁場區(qū)域做圓周運動.與Ⅰ中運動的電子相比,Ⅱ中的電子( ) A.運動軌跡的半徑是Ⅰ中的k倍 B.加速度的大小是Ⅰ中的k倍 C.做圓周運動的周期是Ⅰ中的k倍 D.做圓周運動的角速度與Ⅰ中的相等,,?思路探究?電子的運動半徑由什么關系得出?運動周期如何求出?,AC,,,(教師備用) 例1-1:已知質(zhì)子和α粒子的質(zhì)量之比m1∶m2=1∶4,電荷量之比q1∶q2=1∶2,兩種粒子從靜止開始經(jīng)相同的電壓加速后垂直進入同一勻強磁場中做圓周運動,則這兩種粒子做圓周運動的動能之比Ek1∶Ek2= ,軌道半徑之比r1∶r2= ,周期之比T1∶T2= .,,,,ACD,,D,要點二,帶電粒子在有界勻強磁場中的勻速圓周運動,【問題導引】 帶電粒子在有界勻強磁場中運動時如何根據(jù)軌跡找到粒子做勻速圓周運動的圓心? 答案:在軌跡上找出兩點,若兩點速度方向確定,則作兩速度方向的垂線,其交點即為圓心;若知其一點的速度方向,可做兩點連線的中垂線和另一點速度方向的垂線,交點即為圓心.,【要點歸納】 1.圓心的確定方法 (1)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和出射點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. (2)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.,2.帶電粒子在不同邊界勻強磁場中的運動 (1)直線邊界[進出磁場具有對稱性,如圖(甲)],(2)平行邊界[存在臨界條件,如圖(乙)],(3)圓形邊界[沿徑向射入必沿徑向射出,如圖(丙)],,?思維導圖?,,規(guī)律方法 解決帶電粒子在勻強磁場中運動問題的一般方法 在研究帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動規(guī)律時,著重把握“一找圓心,二求半徑,三定時間”的方法. (1)圓心的確定方法:兩線定一“心” ①圓心一定在垂直于速度的直線上. ②圓心一定在弦的中垂線上.,,(教師備用) 例2-1:(2016河南南陽高二檢測)如圖所示,在x軸上方有方向垂直紙面向外的勻強磁場,有一質(zhì)量為m,電荷量為q的粒子以初速度v從M點沿y軸正方向 射入,從x軸上的N點射出,射出時速度方向與x軸的負方向夾角為 θ,已知θ=30,N點到O點的距離為L,不計粒子重力. (1)求勻強磁場磁感應強度的大小;,,答案:見解析,,(2)若當帶電粒子在磁場中運動到某一位置時,在y軸右方再加一勻強電場,使帶電粒子做勻速直線運動,運動到x軸上的P點(未畫出)時速度方向與x軸的正方向夾角也為θ=30,求所加勻強電場的電場強度的大小與方向.,,答案:見解析,,例2-2:(2016山東淄博高二期末聯(lián)考)電視機顯像管原理如圖所示,初速度不計的電子經(jīng)電勢差為U的電場加速后,沿水平方向進入有邊界的磁感應強度為B的勻強磁場中.已知電子電荷量為e、質(zhì)量為m.若要求電子束的偏轉(zhuǎn)角為α,求磁場有限邊界的寬度L.,,,D,要點三,回旋加速器,【問題導引】 1.回旋加速器主要由哪幾部分組成?回旋加速器中的磁場和電場分別起什么作用? 答案:回旋加速器主要有兩個D形盒以及垂直于D形盒的磁場和兩D形盒縫隙間的交流電源組成.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. 2.對交流電源的周期有什么要求?帶電粒子獲得的最大動能由哪些因素決定?,【例3】 回旋加速器是用來加速一群帶電粒子使它們獲得很大動能的儀器,其核心部分是兩個D形金屬扁盒,兩盒分別和一高頻交流電源兩極相接,以便在盒內(nèi)的狹縫中形成勻強電場,使粒子每次穿過狹縫時都得到加速,兩盒放在磁感應強度為B的勻強磁場中,磁場方向垂直于盒底面,粒子源置于盒的圓心附近,若粒子源射出的粒子電荷量為q,質(zhì)量為m,粒子最大回旋半徑為Rmax.求: (1)粒子在盒內(nèi)做何種運動; (2)所加交變電流頻率及粒子角速度; (3)粒子離開加速器時的最大速度及最大動能.,,?思路探究?(1)回旋加速器的高頻交流電源周期如何確定? 答案:交流電源周期根據(jù)帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的周期確定;兩者需相等. (2)帶電粒子被加速后的最大動能由什么因素決定?,,解析:(1)帶電粒子在盒內(nèi)做勻速圓周運動,每次加速之后半徑變大.,,誤區(qū)警示 處理回旋加速器題目易出現(xiàn)的問題 (1)誤認為交變電壓的周期隨粒子軌跡半徑的變化而變化,實際上交變電壓的周期是不變的. (2)誤認為粒子的最終能量與加速電壓的大小有關,實際上,粒子的最終能量由磁感應強度B和D形盒的半徑?jīng)Q定,與加速電壓的大小無關.,,BD,,,例3-2:如圖所示,以兩虛線為邊界,中間存在平行紙面且與邊界垂直的水平電場,寬度為d,兩側(cè)為相同的勻強磁場,方向垂直紙面向里.一質(zhì)量為m、帶電荷量為+q、重力不計的帶電粒子,以初速度v1垂直邊界射入磁場做勻速圓周運動,后進入電場做勻加速運動,然后第二次進入磁場中運動,此后粒子在電場和磁場中交替運動.已知粒子第二次在磁場中運動的半徑是 第一次的二倍,第三次是第一次的三倍,以此類推.求 (1)粒子第一次經(jīng)過電場的過程中靜電力所做的功W1.,,,(2)粒子第n次經(jīng)過電場時電場強度的大小En. (3)粒子第n次經(jīng)過電場時所用的時間tn.,,,針對訓練3:回旋加速器是加速帶電粒子的裝置,其核心部分是分別與高頻交流電極相連接的兩個D形金屬盒,兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的電場,使粒子在通過狹縫時都能得到加速,兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強磁場中,如圖所示,要增大帶電粒子射出時的動能,可行的辦法是( ) A.只增大加速電壓 B.只減小磁場的磁感應強度 C.只增加周期性變化的電場的頻率 D.只增大D形金屬盒的半徑,,D,達標測評 隨堂演練檢測效果,1.洛倫茲力使帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動,下列各圖中均標有帶正電荷粒子的運動速度v,洛倫茲力F及磁場B的方向,虛線圓表示粒子的軌跡,其中可能出現(xiàn)的情況是( ),,解析:由于帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動,洛倫茲力提供向心力而指向圓心,速度v的方向必沿圓周的切線,由左手定則判斷可知選項A正確.,A,2.(2016惠州市高二期末)(多選)如圖所示為自左向右逐漸增強的磁場,一不計重力的帶電粒子垂直射入其中,由于周圍氣體的阻礙作用,其運動軌跡恰為一段半徑不變的圓弧PQ(粒子電荷量保持不變),則可判斷( ) A.粒子從P點射入 B.粒子所受洛倫茲力逐漸增大 C.粒子從Q點射入 D.粒子的動能逐漸減小,,AD,3.(多選)質(zhì)譜儀是一種測定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具,它的構(gòu)造原理如圖所示,離子源S產(chǎn)生的各種不同正離子束(速度可看為零),經(jīng)加速電場加速后垂直進入有界勻強磁場,到達記錄它的照相底片P上,設離子在P上的位置到入口處S1的距離為x,可以判斷( ) A.若離子束是同位素,則x越大,離子質(zhì)量越大 B.若離子束是同位素,則x越大,離子質(zhì)量越小 C.只要x相同,則離子質(zhì)量一定相同 D.只要x相同,則離子的比荷一定相同,,AD,4.(2016山東膠州市高二期末)如圖所示,在空間中存在垂直紙面向外,寬度為d的有界勻強磁場.一質(zhì)量為m,帶電荷量為q的粒子自下邊界的P點處以速度v沿與下邊界成θ=30角的方向垂直射入磁場,恰能垂直于 上邊界射出,不計粒子重力,題中d,m,q,v均為已知量.則 (1)粒子帶何種電荷?,,解析:(1)粒子在磁場中運動軌跡如圖所示,粒子向上偏轉(zhuǎn),由左手定則可判斷粒子帶正電.,答案:(1)正電荷,(2)磁場的磁感應強度為多少?,,學科素養(yǎng) 技能點撥規(guī)范解題,帶電粒子運動的多解和周期性問題 帶電粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動,由于多種因素的影響,使問題形成多解,多解形成原因一般包含下述幾個方面: (1)帶電粒子電性不確定形成多解 受洛倫茲力作用的帶電粒子,可能帶正電荷,也可能帶負電荷,在相同的初速度下,正負粒子在磁場中運動軌跡不同,導致形成多解. (2)磁場方向不確定形成多解 有些題目只告訴了磁感應強度的大小,而未具體指出磁感應強度的方向.此時必須要考慮磁感應強度的方向.,(3)臨界狀態(tài)不唯一形成多解 帶電粒子在洛倫茲力作用下飛越有界磁場時,由于粒子運動軌跡是圓弧狀,因此,它可能穿過去了,可能轉(zhuǎn)過180從入射界面這邊反向飛出,如圖所示,于是形成多解. (4)運動的重復性形成多解 帶電粒子在部分是電場、部分是磁場空間運動時,往往運動具有往復性,因而形成多解.,【以例試法】 如圖所示,在x軸上方有勻強電場,場強為E;在x軸下方有勻強磁場,磁感應強度為B,方向如圖所示,在x軸上有一點M,離O點距離為l.現(xiàn)有一質(zhì)量為m帶電荷量為+q的粒子,從靜止開始釋放后能經(jīng)過M點.求如果此粒子放在y軸上,其坐標應滿足什么關系?(重力忽略不計),方法點撥 此類題正確分析并畫出粒子運動軌跡圖是關鍵.并注意由于其運動的周期性,從而帶來多解(幾個解)的可能,不要僅考慮到n=1的特殊情況.,,答案:見解析,,AC,(教師參考) 課堂小結(jié),謝謝觀賞！,