2018-2019學(xué)年高中物理 第三章 磁場(chǎng) 6 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)課件 新人教版選修3-1.ppt

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1、6帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),,1理解洛倫茲力對(duì)粒子不做功 2理解帶電粒子的初速度方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向垂直時(shí)，粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 3會(huì)推導(dǎo)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑、周期公式，并會(huì)用它們解答有關(guān)問題. 知道質(zhì)譜儀的工作原理 4知道回旋加速器的基本構(gòu)造、工作原理及用途.,教學(xué)目標(biāo),,,【重點(diǎn)】 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑和周期公式，并能用來分析有關(guān)問題 【難點(diǎn)】 (1)粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng) (2)綜合運(yùn)用力學(xué)知識(shí)、電磁學(xué)知識(shí)解決帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的問題,重點(diǎn)難點(diǎn),,,本節(jié)教學(xué)過程中，建議通過引導(dǎo)學(xué)生由洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力的分析，逐步得

2、出帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過讓學(xué)生推導(dǎo)半徑公式、周期公式等教學(xué)過程，培養(yǎng)學(xué)生的遷移能力，體會(huì)如何用已學(xué)知識(shí)來探討研究新問題.,教學(xué)建議,,,【導(dǎo)入一】 教師：提問：如圖361所示，當(dāng)帶電粒子q以速度v分別垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，它們將做什么運(yùn)動(dòng)？(如圖361甲所示) 學(xué)生：類平拋和勻速圓周運(yùn)動(dòng) 在此學(xué)生很有可能根據(jù)帶電粒子進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)做平拋運(yùn) 動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，誤認(rèn)為帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)也做類平拋運(yùn)動(dòng)在這里不管學(xué)生回答,新課導(dǎo)入,,,正確與錯(cuò)誤，都應(yīng)馬上追問：為什么？引導(dǎo)學(xué)生思考，自己得出正確答案 教師演示實(shí)驗(yàn)：帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)洛倫茲力演示儀 多媒體展示粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的軌跡圖

3、，比較帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)這兩種情況下運(yùn)動(dòng)軌跡的差別 學(xué)生自己得出結(jié)論：粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng) 教師：今天我們來學(xué)習(xí)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、質(zhì)譜儀,新課導(dǎo)入,,,【導(dǎo)入二】 磁流體發(fā)電、質(zhì)譜儀、電磁流量計(jì)、正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、回旋加速器、電子顯微鏡等等科技應(yīng)用，都離不開帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)今天我們就開始探究帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.,新課導(dǎo)入,,帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),,知識(shí)必備,知識(shí)點(diǎn)一,洛倫茲力,質(zhì)譜儀,,知識(shí)必備,知識(shí)點(diǎn)二,圖3-6-1,半徑,1.結(jié)構(gòu):如圖3-6-2所示,D1、D2為同一水平面內(nèi)半圓形中空金屬盒(稱為D形盒),兩盒間留有一定寬度的空隙,置于真空中

4、,由高頻振蕩器產(chǎn)生的交變電壓加于兩D形盒間,這個(gè)電壓將在兩盒空隙間產(chǎn)生以加速帶電粒子.由大型電磁鐵產(chǎn)生的 垂直于金屬盒,由于靜電屏蔽效應(yīng),盒內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度近似為零.,回旋加速器,,知識(shí)必備,知識(shí)點(diǎn)三,電場(chǎng),勻強(qiáng)磁場(chǎng),圖3-6-2,,知識(shí)必備,勻速圓周,想一想帶電粒子在磁場(chǎng)里做圓周運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)周期與速度有關(guān)嗎?當(dāng)圓弧的圓心角為時(shí),運(yùn)動(dòng)時(shí)間怎么計(jì)算?,,學(xué)習(xí)互動(dòng),帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間的分析,考點(diǎn)一,要點(diǎn)總結(jié),,學(xué)習(xí)互動(dòng),3.如圖3-6-3所示,應(yīng)注意到: 速度的偏向角等于弧AB所對(duì)的圓心角; 偏向角與弦切角的關(guān)系為:180時(shí),=360-2.,,學(xué)習(xí)互動(dòng),圖3-6-3,,學(xué)習(xí)互動(dòng),例1如圖3-6-

5、4所示, 有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)邊界線SPMN,兩完全相同的帶電粒子以不同速度從S點(diǎn)沿SP方向同時(shí)射入磁場(chǎng),其中一粒子以速度v1垂直MN從點(diǎn)a射出,另一粒子以速度v2與MN成60角從b點(diǎn)射出,設(shè)兩粒子從S到a、b所需的時(shí)間分別為t1、t2,則t1t2為() A.13B.43 C.11 D.32,圖3-6-4,,,學(xué)習(xí)互動(dòng),想一想 帶電粒子在磁場(chǎng)里做圓周運(yùn)動(dòng),圓心怎樣確定?,,學(xué)習(xí)互動(dòng),半徑r= 的應(yīng)用,考點(diǎn)二,要點(diǎn)總結(jié) 確定帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心、半徑的方法: (1)圓心的確定.因?yàn)槁鍌惼澚指向圓心,根據(jù)Fv,畫出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡上任意兩點(diǎn)(一般是射入和射出磁場(chǎng)的兩點(diǎn))的F的方向,其延

6、長(zhǎng)線的交點(diǎn)為圓心. (2)半徑的確定.半徑的確定一般是利用幾何知識(shí),常用解三角形的方法及圓心角等于圓弧上弦切角的兩倍等知識(shí).,,學(xué)習(xí)互動(dòng),,學(xué)習(xí)互動(dòng),例2 如圖3-6-5所示, a和b兩粒子帶電荷量相同,以相同動(dòng)能從A點(diǎn)射入磁場(chǎng),在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑ra=2rb,則可知(重力不計(jì))() A.兩粒子都帶正電,質(zhì)量之比mamb=41 B.兩粒子都帶負(fù)電,質(zhì)量之比mamb=41 C.兩粒子都帶正電,質(zhì)量之比mamb=14 D.兩粒子都帶負(fù)電,質(zhì)量之比mamb=14,圖3-6-5,,,學(xué)習(xí)互動(dòng),,學(xué)習(xí)互動(dòng),例3 如圖3-6-6所示,MN和PQ兩板平行且板間存在垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),兩板間距離

7、及兩板長(zhǎng)均為d.一帶正電的質(zhì)子從MN板的正中間O點(diǎn)以速度v0垂直射入磁場(chǎng),為使質(zhì)子能射出兩板間,試求磁感應(yīng)強(qiáng)度B的取值范圍.(已知質(zhì)子所帶電荷量為e,質(zhì)量為m),圖3-6-6,,,學(xué)習(xí)互動(dòng),想一想 有同學(xué)認(rèn)為回旋加速器的加速是電場(chǎng)完成的,粒子的最大速度只與電場(chǎng)有關(guān),與磁場(chǎng)無關(guān),該觀點(diǎn)是否正確?,,學(xué)習(xí)互動(dòng),回旋加速器,考點(diǎn)三,要點(diǎn)總結(jié),,學(xué)習(xí)互動(dòng),,學(xué)習(xí)互動(dòng),,學(xué)習(xí)互動(dòng),例4(多選)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源兩極相連接的兩個(gè)D形金屬盒,兩盒間的狹縫中形成周期性變化的電場(chǎng),使粒子在通過狹縫時(shí)都能得到加速,兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,如圖3-6-7所

8、示.設(shè)D形盒半徑為R,若用回旋加速器加速質(zhì)子時(shí),勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,高頻交流電頻率為f,則下列說法正確的是() A.質(zhì)子被加速后的最大速度不可能超過2fR B.質(zhì)子被加速后的最大速度與加速電場(chǎng)的電壓大小無關(guān) C.只要R足夠大,質(zhì)子的速度可以被加速到任意值 D.不改變B和f,該回旋加速器也能用于加速粒子,圖3-6-7,,,學(xué)習(xí)互動(dòng),備用習(xí)題,,1. 處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的一個(gè)帶電粒子僅在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)將該粒子的運(yùn)動(dòng)等效為環(huán)形電流，那么此電流值() A與粒子電荷量成正比 B與粒子速率成正比 C與粒子質(zhì)量成正比 D與磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小成正比,,,備用習(xí)題,答案 D,備用習(xí)題,,2.在光滑

9、絕緣水平面上，一輕繩拉著一個(gè)帶電小球繞豎直方向的軸O在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做逆時(shí)針方向的水平勻速圓周運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的方向豎直向下，其俯視圖如圖368所示若小球運(yùn)動(dòng)到A點(diǎn)時(shí)，繩子突然斷開，關(guān)于小球在繩斷開后的運(yùn)動(dòng)情況，以下說法不可能的是() A小球仍做逆時(shí)針勻速圓周運(yùn)動(dòng)，半徑不變 B小球仍做逆時(shí)針勻速圓周運(yùn)動(dòng)，半徑減小 C小球做順時(shí)針勻速圓周運(yùn)動(dòng)，半徑不變 D小球做順時(shí)針勻速圓周運(yùn)動(dòng)，半徑減小,圖3-6-8,,備用習(xí)題,,答案 B 解析 如果小球帶正電，則小球所受洛倫茲力方向指向圓心，此種情況下，如果洛倫茲力剛好提供向心力，這時(shí)繩子對(duì)小球沒有作用力，繩子斷開時(shí)，對(duì)小球的運(yùn)動(dòng)沒有影響，小球仍做逆時(shí)針的勻速圓周運(yùn)動(dòng)

10、，半徑不變，故A可能如果洛倫茲力和拉力共同提供向心力，繩子斷開時(shí)，向心力減小(注意小球的速率不變)，則小球做逆時(shí)針的圓周運(yùn)動(dòng)，但半徑增大如果小球帶負(fù)電，則小球所受洛倫茲力方向背離圓心，由方程FTqvBm可知，當(dāng)洛倫茲力的大小等于小球所受拉力的一半時(shí)，繩子斷后，小球做順時(shí)針的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，半徑不變，故C可能當(dāng)洛倫茲力的大小大于小球所受拉力的一半時(shí)，則繩子斷后，向心力增大，小球做順時(shí)針的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，半徑減小，故D可能,備用習(xí)題,,,備用習(xí)題,,答案 121 12,備用習(xí)題,,4.如圖369所示，電荷量為e的電子以速度v垂直磁場(chǎng)邊界射入寬度為d的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，穿出磁場(chǎng)時(shí)速度方向和原來的射入方向的夾

11、角為60，求電子的質(zhì)量和穿越磁場(chǎng)的時(shí)間,圖369,,備用習(xí)題,,,1.(帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡)2018湖南長(zhǎng)郡中學(xué)期中 粒子甲的比荷是粒子乙的2倍.兩粒子均帶正電.讓它們?cè)趧驈?qiáng)磁場(chǎng)中同一位置以大小相等、方向相反的速度在充滿磁場(chǎng)的紙面內(nèi)運(yùn)動(dòng).已知磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里.圖3-6-8中能正確表示兩粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的是 (),圖3-6-8,自我檢測(cè),,,自我檢測(cè),,2.(帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡)一個(gè)帶電粒子沿垂直于磁場(chǎng)的方向射入一勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域,粒子的一段徑跡如圖3-6-9所示,徑跡上的每一小段都可近似看成圓弧.由于帶電粒子使沿途的空氣電離,粒子的能量逐漸減小(帶電荷量不變).從圖中情況可以確定

12、() A.粒子從a到b,帶正電 B.粒子從a到b,帶負(fù)電 C.粒子從b到a,帶正電 D.粒子從b到a,帶負(fù)電,圖3-6-9,自我檢測(cè),,,自我檢測(cè),,,自我檢測(cè),3.(帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng))(多選)有兩個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域和,中的磁感應(yīng)強(qiáng)度是中磁感應(yīng)強(qiáng)度的k倍.兩個(gè)速率相同的電子分別在兩磁場(chǎng)區(qū)域做圓周運(yùn)動(dòng).與中運(yùn)動(dòng)的電子相比,中的電子() A.運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑是中的k倍 B.加速度的大小是中的k倍 C.做圓周運(yùn)動(dòng)的周期是中的k倍 D.做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度與中的相等,,自我檢測(cè),4.(回旋加速器應(yīng)用)圖3-6-10甲是回旋加速器的示意圖,其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒,在加速帶電粒子時(shí),兩金屬盒置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中

13、,并分別與高頻電源相連.帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能Ek隨時(shí)間t的變化規(guī)律如圖乙所示.若忽略帶電粒子在電場(chǎng)中的加速時(shí)間,則下列說法正確的是 () A.在Ek-t圖中應(yīng)有t4-t3=t3-t2=t2-t1 B.高頻電源的變化周期應(yīng)該等于tn-tn-1 C.粒子加速次數(shù)越多,粒子最大動(dòng)能一定越大 D.要想粒子獲得的最大動(dòng)能越大,則要求D形盒的面積也越大,圖3-6-10,,,自我檢測(cè),,自我檢測(cè),5.(質(zhì)譜儀的應(yīng)用)如圖3-6-11所示,兩平行金屬板間距為d,電勢(shì)差為U,板間電場(chǎng)可視為勻強(qiáng)電場(chǎng);金屬板下方有一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng).帶電荷量為+q、質(zhì)量為m的粒子由靜止開始從正極板出發(fā),經(jīng)電場(chǎng)加速后射出,并進(jìn)入磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng).忽略重力的影響,求: (1)勻強(qiáng)電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)E的大小; (2)粒子從電場(chǎng)射出時(shí)速度v的大小; (3)粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R.,圖3-6-11,,,自我檢測(cè),