第六节 带电粒子在匀强磁场中的运动

第六节   带电粒子在匀强磁场中的运动 一、教学目标 （一）知识与技能 1、理解洛伦兹力对粒子不做功. 2、理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀磁场中做匀速圆周运动. 3、会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并会用它们解答有关问题. 知道质谱仪的工作原理。 4、知道回旋加速器的基本构造、工作原理 、及用途 。 （二）过程与方法 通过综合运用力学知识、电磁学知识解决带电粒子在复合场（电场、磁场）中的问题. 培养学生的分析推理能力. （三）情感态度与价值观 通过对本节的学习，充分了解科技的巨大威力，体会科技的创新历程。 二、重点与难点： 重点：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期公式，并能用来分析有关问题. 难点：1.粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动. 2.综合运用力学知识、电磁学知识解决带电粒子在复合场中的问题. 三、教具：洛伦兹力演示仪、感应线圈、电源、多媒体等 四、教学过程： （一）复习引入 ［问题1］什么是洛伦兹力？［磁场对运动电荷的作用力］ ［问题2］带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力？［不一定，洛伦兹力的计算公式为F=qvBsinθ，θ为电荷运动方向与磁场方向的夹角，当θ=90°时，F=qvB;当θ=0°时，F=0.］ ［问题3］带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时会做什么运动呢？今天我们来学习——带电粒子在匀强磁场中的运动、质谱仪. （二）新课讲解---第六节、带电粒子在匀强磁场中的运动 【演示】先介绍洛伦兹力演示仪的工作原理，由电子枪发出的电子射线可以使管内的低压水银蒸气发出辉光，显示出电子的径迹。后进行实验.（并说明相关问题104-105页） 教师进行演示实验. ［实验现象］在暗室中可以清楚地看到，在没有磁场作用时，电子的径迹是直线；在管外加上匀强磁场（这个磁场是由两个平行的通电环形线圈产生的），电子的径迹变弯曲成圆形. ［教师引导学生分析得出结论］ 当带电粒子的初速度方向与磁场方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动. 带电粒子垂直进入匀强磁场中的受力及运动情况分析（动态课件）. 一是要明确所研究的物理现象的条件----在匀强磁场中垂直于磁场方向运动的带电粒子。二是分析带电粒子的受力情况，用左手定则明确带电粒子初速度与所受到的洛伦兹力在同一平面内，所以只可能做平面运动。三是洛伦兹力不对运动的带电粒子做功，它的速率不变，同时洛伦兹力的大小也不变。四是根据牛顿第二定律，洛伦兹力使运动的带电粒子产生加速度(向心加速度) ［出示投影］ ①.电子受到怎样的力的作用？这个力和电子的速度的关系是怎样的？（电子受到垂直于速度方向的洛伦兹力的作用.） ②.洛伦兹力对电子的运动有什么作用？（.洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小） ③.有没有其他力作用使电子离开磁场方向垂直的平面？（没有力作用使电子离开磁场方向垂直的平面） ④.洛伦兹力做功吗？（洛伦兹力对运动电荷不做功） 1．带电粒子在匀强磁场中的运动 （1）、运动轨迹：沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，粒子在垂直磁场方向的平面内做匀速圆周运动，此洛伦兹力不做功. 【注意】带电粒子做圆周运动的向心力由洛伦兹力提供。 通过“思考与讨论”（ 105页），使学生理解带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，的轨道半径r和周期T与粒子所带电量、质量、粒子的速度、磁感应强度有什么关系。 ［出示投影］ 一为带电量q，质量为m ,速度为v的带电粒子垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，其半径r和周期T为多大？ ［问题1］什么力给带电粒子做圆周运动提供向心力？［洛伦兹力给带电粒子做圆周运动提供向心力］ ［问题2］向心力的计算公式是什么？［F=mv2/r］ ［教师推导］粒子做匀速圆周运动所需的向心力F=m 是由粒子所受的洛伦兹力提供的，所以   qvB=mv2/ r由此得出r=        T= 可得T= （2）、轨道半径和周期 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径及周期公式. 1、轨道半径r =        2、周期T =2πm/ qB 【说明】： （1）轨道半径和粒子的运动速率成正比. （2）带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期跟轨道半径和运动速率无关. 【讨论】：在匀强磁场中如果带电粒子的运动方向不和磁感应强度方向垂直，它的运动轨道是什么样的曲线？ 分析：当带电粒子的速度分别为垂直于B的分量v1和平行于B的分量v2，因为v1和B垂直，受到洛伦兹力qv1B，此力使粒子q在垂直于B的平面内做匀速圆周运动，v1和B平行，不受洛伦兹力，故粒子在沿B方向上做匀速曲线运动，可见粒子的运动是一等距螺旋运动. 再用洛伦兹力演示仪演示 ［出示投影课本例题］ 如图所示，一质量为m，电荷量为q的粒子从容器A下方小孔S1飘入电势差为U的加速电场，然后让粒子垂直进入磁感应强度为B的磁场中，最后打到底片D上. (1)粒子进入磁场时的速率。 (2)求粒子在磁场中运动的轨道半径。 解：（1）粒子在S1区做初速度为零的匀加速直线运动.由动能定理知，粒子在电场中得到的动能等于电场对它所做的功，即     由此可得v= . （2）粒子做匀速圆周运动所需的向心力是由粒子所受的洛伦兹力提供，即qvB=m 所以粒子的轨道半径为    r=mv/qB= ［教师讲解］r和进入磁场的速度无关，进入同一磁场时，r∝ ，而且这些个量中，u、B、r可以直接测量，那么，我们可以用装置来测量比荷或算出质量。 例题在处理上，可以让学生自己处理，教师引导总结。为了加深对带电粒子在磁场中的运动规律的理解，可以补充例题和适量的练习。注意：在解决这类问题时，如何确定圆心、画出粒子的运动轨迹、半径及圆心角，找出几何关系是解题的关键。  例题给我们展示的是一种十分精密的仪器------质谱仪 补充例题: 如图所示，半径为r的圆形空间内，存在着垂直于纸面向里的匀强磁场，一个带电粒子（不计重力），从A点以速度v0垂直磁场方向射入磁场中，并从B点射出，已知∠AOB=120°，求该带电粒子在磁场中运动的时间。 分析：首先通过已知条件找到 所对应的圆心O′，画出粒子的运动轨迹并画出几何图形。 解：设粒子在磁场中的轨道半径为R，粒子的运动轨迹及几何图形如图所示。 粒子在磁场中做匀速圆周运动的向心力由洛伦兹力提供， 有qvB=mv2/R         ① 由几何关系有：R = r tan60º   ② 粒子的运动周期T =2πR/v0         ③ 由图可知θ=60°，得电粒子在磁场中运动的时间  t = T/6    ④ 联立以上各式解得：t= rπ/3v0  （3）、质谱仪 阅读课文及例题，回答以下问题： 1.试述质谱仪的结构. 2.试述质谱仪的工作原理. 3.什么是同位素？ 4.质谱仪最初是由谁设计的？ 5.试述质谱仪的主要用途. 阅读后学生回答： 1.质谱仪由静电加速极、速度选择器、偏转磁场、显示屏等组成. 2.电荷量相同而质量有微小差别的粒子，它们进入磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，打到照相底片不同的地方，在底片上形成若干谱线状的细条，叫质谱线，每一条对应于一定的质量，从谱线的位置可以知道圆周的半径r，如果再已知带电粒子的电荷量q，就可算出它的质量. 3.质子数相同而质量数不同的原子互称为同位素. 4.质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计. 5.质谱仪是一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具.--- ----（1课时） 【过渡语】先从研究物质微观结构的需要出发提出怎样大量产生高能带电粒子的问题，从而引出早期使用的加速器——静电加速器 2．回旋加速器 （1）直线加速器 ①加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电的粒子动能增加，即qU =ΔEk ②直线加速器的多级加速：教材图3．6—5所示的是多级加速装置的原理图，由动能定理可知，带电粒子经N级的电场加速后增加的动能，ΔEk=q（U1+U2+U3+U4+…Un） ③直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间内制造直线加速器受到一定的限制。 （2）回旋加速器 ①由美国物理学家劳伦斯于1932年发明。 ②其结构教材图3．6—6所示。核心部件为两个D形盒（加匀强磁场）和其间的夹缝（加交变电场） ③加速原理：通过“思考与讨论”让学生自己分析出带电粒子做匀速圆周运动的周期公式T = 2πm/q B，明确带电粒子的周期在q、m、B不变的情况下与速度和轨道半径无关，从而理解回旋加速器的原理。 在学生思考之后，可作如下的解释：如果其他因素(q、m、B)不变，则当速率v加大时，由r=mv/qB得知圆运动半径将与v成正比例地增大，因而圆运动周长 也将与v成正比例地增大，因此运动一周的时间(周期)仍将保持原值。 最后提到了回旋加速器的效能(可将带电粒子加速，使其动能达到25 MeV～30 MeV)，为狭义相对论埋下了伏笔。 老师再进一步归纳各部件的作用：（如图） 磁场的作用：交变电场以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，其周期在q、m、B不变的情况下与速度和轨道半径无关，带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场加速。 电场的作用：回旋加速器的的两个D形盒之间的夹缝区域存在周期性变化的并垂直于两个D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速。 交变电压的作用：为保证交变电场每次经过夹缝时都被加速，使之能量不断提高，须在在夹缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压。 带电粒子经加速后的最终能量：（运动半径最大为D形盒的半径R） 由R=mv/qB有 v=qBR/m 所以最终能量为 Em=mv2/2 = q2B2R2/2m 讨论：要提高带电粒子的最终能量，应采取什么措施？（可由上式分析） 例：1989年初，我国投入运行的高能粒子回旋加速器可以把电子的能量加速到2.8GeV;若改用直线加速器加速，设每级的加速电压为U =2.0×105V，则需要几级加速？ 解：设经n级加速,由neU=E  有   n=E/eU=1.4×104（级） （三）对本节要点做简要小结. （四）巩固新课：1、复习本节内容      2、做一做（P98）                          3、完成“问题与练习”2、4练习，3作业。