重慶市江津第五中學高中物理 第六節(jié) 帶電粒子在勻強磁場中的運動導學案 新人教版選修31(1).doc

重慶市江津第五中學2014高中物理 第六節(jié) 帶電粒子在勻強磁場中的運動導學案 新人教版選修3-1學習目標：1、知道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、掌握帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的特點和解決此類運動的方法。3、掌握帶點粒子在復合場中的運動的分析。4、理解質譜儀和回旋加速器的工作原理和作用。學習的重點1、解決帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動問題2、復合場中各種力的大小和方向的確定，及運動情況的分析。學習的難點利用洛倫茲力的計算公式、圓周運動的知識、幾何關系去解決帶電粒子在復合場中運動的有關問題。預 習 案1、復合場是指電場、磁場、重力場并存，或其中某兩種場并存的場。如速度選擇器、磁流體發(fā)電機、霍爾效應、電磁流量計是 和 的復合場。帶電粒子在這些復合場中運動時，必須同時考慮 、 和 的作用或其中某兩種力的作用，因此對粒子的運動形式的分析就顯得極為重要。2、在重力場中，物體將受到重力的作用，重力大小 , 方向： ，重力做功與路徑 ， ，重力做功改變物體的重力勢能；在靜電場中，帶點粒子受到電場力的作用，電場力大小 ,方向與電荷的 有關，即正電荷受力方向與場強方向 ，負電荷受力方向 ，電場力做功與路徑 ， ，電場力做功改變 ；在磁場中，帶點粒子不一定受洛侖茲力，當 和 垂直時，洛侖茲力大小 , 洛侖茲力 做功，不改變帶點粒子的 。導 學 案回答下列問題d形盒和盒間電場都應該在真空中被加速粒子的最大速度決定于什么？如果盡量增強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？ 為什么？帶電粒子在復合場電運動的基本分析1、當帶電粒子在復合場中所受的合外力為0時，粒子將做勻速直線運動或靜止、2、當帶電粒子所受的合外力與運動方向在同一條直線上時，粒子將做變速直線運動、3、當帶電粒子所受的合外力充當向心力時，粒子將做勻速圓周運動、4、當帶電粒子所受的合外力的大小、方向均是不斷變化的時，粒子將做變加速運動，這類問題一般只能用能量關系處理。磁場中帶電粒子的一般分類及重力的有無1、帶電的基本粒子：如電子，質子，粒子，正負離子等。這些粒子所受重力和洛侖磁力相比在小得多，除非有說明或明確的暗示以外，一般都不考慮重力。（但并不能忽略質量）。2、帶電微粒：如帶電小球、液滴、塵埃等。除非有說明或明確的暗示以外，一般都考慮重力。3、某些帶電體是否考慮重力，要根據題目暗示或運動狀態(tài)來判定質譜儀1、質譜儀的作用及工作過程質譜儀是利用電場和磁場控制電荷運動的精密儀器，它是測量帶電粒子的質量和分析同位素的重要工具。其結構如甲圖所示，容器a中含有電荷量相同而質量有微小差別的帶電粒子。經過和之間的電場加速，它們進入磁場將沿著不同的半徑做圓周運動，打到照相底片的不同地方，在底片上形成若干譜線狀的細條，叫做質譜線，每一條譜線對應于一定的質量。從譜線的位置可以知道圓周的半徑，如果再已知帶電粒子的電荷量，就可以算出它的質量，這種儀器叫做質譜儀2、比荷的計算如上圖乙所示，設飄入加速電場的帶電粒子帶電荷量為+q、質量為m，兩板間電壓為u、粒子出電場后垂直進入磁感應強度為b的勻強磁場。在加速電場中，由動能定理得。粒子出電場時，速度。在勻強磁場中軌道半徑。所以粒子質量。若粒子電荷量也未知，通過質譜儀可以求出該粒子的比荷（電荷量與質量之比）。加速器直線加速器（多級加速器）（右圖）電荷量為的粒子經過級加速后，根據動能定理獲得的動能可以達到。這種多級加速器通常叫做直線加速器，目前已經建成的直線加速器有幾千米甚至幾十千米長。各加速區(qū)的兩板之間用獨立電源供電，所以粒子從飛向、從飛向時不會減速。這種加速器的缺點是：（1）技術上不能產生過高電壓；（2）加速設備過長，建設難度大。2、回旋加速器利用電場對帶電粒子的加速作用和磁場對運動電荷的偏轉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完成，如圖所示。（1）磁場的作用：帶電粒子以某一速度垂直磁場方向進入勻強磁場后，并在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，其周期和速率、半徑均無關（），帶電粒子每次進入d形盒都運動相等的時間（半個周期）后平行電場方向進入電場中加速。（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電場，帶電粒子經過該區(qū)域時被加速。（3）交變電壓：為了保證帶電粒子每次經過窄縫時都被加速，使之能量不斷提高，須在窄縫兩側加上跟帶電粒子在d形盒中運動周期相同的交變電壓。（4）帶電粒子的最終能量當帶電粒子的速度最大時，其運動半徑也最大，由牛頓第二定律，得，若d形盒的半徑為r，則，帶電粒子的最終動能。說明：由上式可以看出，要使粒子射出的動能增大，就要使磁場的磁感應強度b以及d形盒的半徑r增大，而與加速電壓u的大小無關（）。延 伸 案1、關于回旋加速器的工作原理，下列說法正確的是：a、電場用來加速帶電粒子，磁場則使帶電粒子回旋b、電場和磁場同時用來加速帶電粒子c、同一加速器，對某種確定的粒子，它獲得的最大動能由加速電壓決定d、同一加速器，對某種確定的粒子，它獲得的最大動能由磁感應強度b決定和加速電壓決定2、用同一回旋加速器分別對質子和氚核()加速后 （）a、質子獲得的動能大于氚核獲得的動能 b、質子獲得的動能等于氚核獲得的動能c、質子獲得的動能小于氚核獲得的動能 d、質子獲得的動量等于氚核獲得的動量3、關于回旋加速器加速帶電粒子所獲得的能量，下列說法正確的是 （ ）a、與加速器的半徑有關，半徑越大，能量越大b、與加速器的磁場有關，磁場越強，能量越大c、與加速器的電場有關，電場越強，能量越大d、與帶電粒子的質量和電荷量均有關，質量和電荷量越大，能量越大4、長為的水平極板間，有垂直紙面向內的勻強磁場，如圖所示，磁感強度為，板間距離也為，板不帶電，現有質量為，電量為的帶正電粒子（不計重力），從左邊極板間中點處垂直磁感線以速度水平射入磁場，欲使粒子不打在極板上，可采用的辦法是： （ ）a、使粒子的速度b、使粒子的速度c、使粒子的速度d、使粒子速度 5、如圖，空間有磁感應強度為b，方向豎直向上的勻強磁場，一束電子流以初速v從水平方向射入，為了使電子流經過磁場時不偏轉（不計重力），則在磁場區(qū)域內必須同時存在一個勻強電場，這個電場的場強大小與方向應是 （ ）a、，方向豎直向上 b、，方向水平向左c、，垂直紙面向里 d、，垂直紙面向外6、如圖所示，傾角為的光滑絕緣斜面,處在方向垂直斜面向上的勻強磁場和方向未知的勻強電場中,有一質量為、帶電荷量為的小球，恰可在斜面上做勻速圓周運動、其角速度為，那么，勻強磁場的磁感應強度的大小為 ，未知電場的最小場強的大小為 ，方向沿 。7、帶電量為的粒子,自靜止起經電壓加速后,垂直進入磁感應強度為的勻強磁場中做半徑為的圓周運動,不計粒子重力,求：(1)粒子速率；（2）粒子運動周期。8、 用一回旋加速質子，半圓形d盒電極半徑為，盒內磁感應強度，已知質子的質量，電量。試求：所需高頻交流電壓的頻率為多少？質子能達到的最大能量是多少？9、如圖所示，一束電子（電量為)以速度v垂直射入磁感應強度為、寬度為的勻強磁場，穿透磁場時的速度與電子原來的入射方向的夾角為。求 :(1) 電子的質量? (2) 電子在磁場中的運動時間?10、如右圖所示，一個質量為，帶電荷量為的粒子以速度從o點沿y軸正方向射入磁感應強度為的圓形勻強磁場區(qū)域，磁場方向垂直紙面向外，粒子飛出磁場區(qū)域后，從軸上的點穿過，其速度方向與軸正方向的夾角為，粒子的重力可忽略不計，試求：(1)圓形勻強磁場區(qū)域的最小面積；(2)粒子在磁場中運動