2019春高中物理 第3章 磁場(chǎng) 6 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)課件 新人教版選修3-1.ppt

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第三章 磁場(chǎng) 6帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 課前預(yù)習(xí) 1 運(yùn)動(dòng)軌跡 帶電粒子 不計(jì)重力 以一定的速度v進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí) 1 當(dāng)v B時(shí) 帶電粒子將做 運(yùn)動(dòng) 2 當(dāng)v B時(shí) 帶電粒子將做 運(yùn)動(dòng) 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 勻速直線 勻速圓周 2 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 1 運(yùn)動(dòng)條件 不計(jì)重力的帶電粒子沿著與磁場(chǎng) 的方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng) 2 洛倫茲力的作用 提供帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的 即qvB 3 半徑和周期公式 半徑 r 周期 T 帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期與粒子 和 無(wú)關(guān) 垂直 向心力 速度 運(yùn)動(dòng)半徑 用來(lái)分析各種元素的同位素并測(cè)量其質(zhì)量及含量百分比的儀器 1 構(gòu)造如圖所示 主要由以下幾部分組成 帶電粒子注射器 加速電場(chǎng) U 照相底片 質(zhì)譜儀 速度選擇器 B1 E 偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng) B2 qU qvB 1 構(gòu)造圖 回旋加速器 2 工作原理 1 電場(chǎng)的特點(diǎn)及作用特點(diǎn) 兩個(gè)D形盒之間的窄縫區(qū)域存在 的電場(chǎng) 作用 帶電粒子經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)被 2 磁場(chǎng)的特點(diǎn)及作用特點(diǎn) D形盒處于與盒面垂直的 磁場(chǎng)中 作用 帶電粒子在洛倫茲力作用下做 運(yùn)動(dòng) 從而改變運(yùn)動(dòng)方向 周期后再次進(jìn)入電場(chǎng) 周期性變化 加速 勻強(qiáng) 勻速圓周 半個(gè) 判一判 1 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中一定做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 2 帶電粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí) 速度越大 半徑越大 3 帶電粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí) 速度越大 周期越大 4 利用質(zhì)譜儀可以測(cè)定帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素 5 回旋加速器的加速電壓越高 帶電粒子獲得的最終動(dòng)能越大 選一選 速率相同的電子垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入四個(gè)不同的磁場(chǎng) 其軌跡如圖所示 則磁場(chǎng)最強(qiáng)的是 D 想一想 如圖是一臺(tái)粒子回旋加速器 它的直徑長(zhǎng)達(dá)2km 請(qǐng)思考 回旋加速器直徑為什么要這樣大 課內(nèi)探究 同一種帶電粒子以不同的速度垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng) 只受洛倫茲力作用 其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示 觀察圖片 請(qǐng)思考 這三個(gè)軌跡都是圓嗎 對(duì)應(yīng)的粒子的速度大小相等嗎 提示 是圓 速度不相等v3 v2 v1 探究一帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的勻速圓周運(yùn)動(dòng) 1 1 兩種常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)情況 1 勻速直線運(yùn)動(dòng) 帶電粒子的速度方向與磁場(chǎng)方向平行 相同或相反 此時(shí)帶電粒子所受洛倫茲力為零 帶電粒子將以速度v做勻速直線運(yùn)動(dòng) 2 勻速圓周運(yùn)動(dòng) 帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場(chǎng) 由于洛倫茲力始終和運(yùn)動(dòng)方向垂直 因此不改變速度大小 但是不停地改變速度方向 所以帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 洛倫茲力提供勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力 3 有界磁場(chǎng)內(nèi)部分圓周軌跡的分析方法 1 圓心的確定 已知入射方向和出射方向時(shí) 可通過(guò)入射點(diǎn)和出射點(diǎn)分別作垂直于入射方向和出射方向的直線 兩條直線的交點(diǎn)就是圓弧軌道的圓心 如圖a所示 圖中P為入射點(diǎn) M為出射點(diǎn) 已知入射點(diǎn)和出射點(diǎn)的位置時(shí) 可以通過(guò)入射點(diǎn)作入射方向的垂線 連接入射點(diǎn)和出射點(diǎn) 作其中垂線 這兩條垂線的交點(diǎn)就是圓弧軌道的圓心 如圖b所示 圖中P為入射點(diǎn) M為出射點(diǎn) D 對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練1 2018 江西省南昌八一中學(xué) 洪都中學(xué)麻丘中學(xué)等八校高二上學(xué)期期末 如圖所示 圓形區(qū)域內(nèi)有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 三個(gè)質(zhì)量和電荷量相同的帶電粒子a b c 以不同的速率對(duì)準(zhǔn)圓心O沿著AO方向射入磁場(chǎng) 其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖 若帶電粒子只受磁場(chǎng)力的作用 則下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是 A 三個(gè)粒子都帶正電荷B c粒子速率最小C a粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)D 它們做圓周運(yùn)動(dòng)的周期Ta Tb Tc B 如圖為質(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(chǎng)電壓為U 偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 則粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度是多大 打在底片上的位置到S3的距離多大 探究二質(zhì)譜儀 2 解題指導(dǎo) 解答此類問(wèn)題要做到 1 對(duì)帶電粒子進(jìn)行正確的受力分析和運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析 2 選取合適的規(guī)律 建立方程求解 對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練2 2018 黑龍江省牡丹江一中高二上學(xué)期期末 如圖是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖 帶電粒子被加速電場(chǎng)加速后 進(jìn)入速度選擇器 速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)的強(qiáng)度分別為B和E 平板S上有可讓粒子通過(guò)的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2 平板S下方有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場(chǎng) 下列表述錯(cuò)誤的是 A 質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具B 速度選擇器中的磁場(chǎng)方向垂直紙面向外C 能通過(guò)狹縫P的帶電粒子的速率等于E BD 粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P 粒子的比荷越小 D 右圖是回旋加速器的原理圖 已知D形盒的半徑為R 勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 交變電流的周期為T(mén) 若用該回旋加速器來(lái)加速質(zhì)子 設(shè)質(zhì)子的質(zhì)量為m 電荷量為q 請(qǐng)思考 探究三回旋加速器 3 1 回旋加速器中磁場(chǎng)和電場(chǎng)分別起什么作用 質(zhì)子每次經(jīng)過(guò)狹縫時(shí) 動(dòng)能的增加量是多少 2 對(duì)交流電源的周期有什么要求 3 帶電粒子獲得的最大動(dòng)能由哪些因素決定 提示 1 磁場(chǎng)的作用是使帶電粒子回旋 電場(chǎng)的作用是使帶電粒子加速 動(dòng)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(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期 3 粒子的最大動(dòng)能決定于磁感應(yīng)強(qiáng)度B和D形盒的半徑R D 對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練3 2017 江西省九江一中高二上學(xué)期期末 1930年勞倫斯制成了世界上第一臺(tái)回旋加速器 其原理如圖所示 這臺(tái)加速器由兩個(gè)銅質(zhì)D形盒D1 D2構(gòu)成 其間留有空隙 下列說(shuō)法正確的是 A 回旋加速器只能用來(lái)加速正離子B 離子從D形盒之間空隙的電場(chǎng)中獲得能量C 離子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期是加速交變電壓周期的一半D 離子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期是加速交變電壓周期的2倍 B 解析 回旋加速器可以加速正電荷 也可以加速負(fù)電荷 故A錯(cuò)誤 回旋加速器利用電場(chǎng)加速 在磁場(chǎng)中速度大小不變 運(yùn)用磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn) 故B正確 離子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期與加速交變電壓的周期相等 故C D錯(cuò)誤 故選B 素養(yǎng)提升 1 解題程序 三步法 1 畫(huà)軌跡即確定圓心 幾何方法求半徑并畫(huà)出軌跡 2 找聯(lián)系軌道半徑與磁感應(yīng)強(qiáng)度 運(yùn)動(dòng)速度相聯(lián)系 偏轉(zhuǎn)角度與圓心角 運(yùn)動(dòng)時(shí)間相聯(lián)系 在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間與周期 圓心角相聯(lián)系 3 用規(guī)律即牛頓第二定律和圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律 特別是周期公式 半徑公式 帶電粒子在有界磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 2 帶電粒子在不同邊界磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡 1 直線邊界 進(jìn)出磁場(chǎng)具有對(duì)稱性 如圖所示 2 平行邊界 存在臨界條件 如圖所示 3 圓形邊界 沿徑向射入必沿徑向射出 如圖所示 D