《帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動》精品課件

1、3.6 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動,物理新人教版選修3-1,洛倫茲力演示器,,一.帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動,當(dāng)帶電粒子q以速度v垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中，它將做什么運(yùn)動?,帶電粒子將在垂直于磁場的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動 。,速度大小不變，而方向隨時(shí)間變化。,周期T與運(yùn)動速度及運(yùn)動半徑無關(guān)。,通過威爾遜云室顯示的正負(fù)電子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動徑跡,通過格雷塞爾氣泡室顯示的帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動徑跡,例題：一個質(zhì)量為m、電荷量為的粒子，從容器下方

2、的小孔S1飄入電勢差為Ｕ的加速電場，然后經(jīng)過S3沿著與磁場垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為Ｂ的勻強(qiáng)磁場中，最后打到照相底片Ｄ上求：（１）求粒子進(jìn)入磁場時(shí)的速率（２）求粒子在磁場中運(yùn)動的軌道半徑,質(zhì)譜儀原理分析,1、質(zhì)譜儀是測量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具,2、基本原理,將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒子經(jīng)同一電場加速再垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，由于粒子動量不同，引起軌跡半徑不同而分開，進(jìn)而分析某元素中所含同位素的種類,3、推導(dǎo),,1．加速

3、原理：利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電粒子的動能增加，qU=?Ek．,2．直線加速器，多級加速　　　如圖所示是多級加速裝置的原理圖：,加速器,（一）、直線加速器,由動能定理得帶電粒子經(jīng)n極的電場加速后增加的動能為：,3．直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制．,二、回旋加速器,1．1932年美國物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實(shí)現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)進(jìn)行多級加速．2．工作原理：利用電場對帶電粒子

4、的加速作用和磁場對運(yùn)動電荷的偏轉(zhuǎn)作用來獲得高能粒子，這些過程在回旋加速器的核心部件——兩個D形盒和其間的窄縫內(nèi)完成。,1931年，加利福尼亞大學(xué)的勞倫斯斯提出了一個卓越的思想，通過磁場的作用迫使帶電粒子沿著磁極之間做螺旋線運(yùn)動,把長長的電極像卷尺那樣卷起來，發(fā)明了回旋加速器，第一臺直徑為27cm的回旋加速器投入運(yùn)行，它能將質(zhì)子加速到1Mev。1939年勞倫斯獲諾貝爾物理獎。,U,,二、回旋加速器,（1）磁場的作用：帶電粒子以某一速度垂直

5、磁場方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場后，并在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動，其周期和速率、半徑均無關(guān)，帶電粒子每次進(jìn)入D形盒都運(yùn)動相等的時(shí)間（半個周期）后平行電場方向進(jìn)入電場中加速．（2）電場的作用：回旋加速器的兩個D形盒之間的窄縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩D形盒正對截面的勻強(qiáng)電場，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時(shí)被加速．（3）交變電壓：為了保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫時(shí)都被加速，使之能量不斷提高，須在窄縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動周期相同的交變電壓．,帶

6、電粒子的最終能量,當(dāng)帶電粒子的速度最大時(shí)，其運(yùn)動半徑也最大，由r=mv/qB得v= rqB/m，若D形盒的半徑為R，則帶電粒子的最終動能：,所以，要提高加速粒子的最終能量，應(yīng)盡可能增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B和D形盒的半徑R．,為什么帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無關(guān)？,解析：加速電壓越高，帶電粒子每次加速的動能增量越大，回旋半徑也增加越多，導(dǎo)致帶電粒子在D形盒中的回旋次數(shù)越少；反之，加速電壓越低，粒子在D形盒中回旋的次數(shù)越多，可見

7、加速電壓的高低只影響帶電粒子加速的總次數(shù)，并不影響引出時(shí)的速度和相應(yīng)的動能，由,可知，增強(qiáng)B和增大R可提高加速粒子的最終能量，與加速電壓高低無關(guān)．,小結(jié)：,回旋加速器利用兩D形盒窄縫間的電場使帶電粒子加速，利用D形盒內(nèi)的磁場使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，帶電粒子所能獲得的最終能量與B和R有關(guān)，與U無關(guān)．,如果盡量增強(qiáng)回旋加速器的磁場或加大D形盒半徑，我們是不是就可以使帶電粒子獲得任意高的能量嗎？,思考,本課小結(jié)：,一、帶電粒子在磁場中的運(yùn)動,平行磁感