江蘇省東臺市高中物理 第三章 磁場 3.6.1 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動（一）導(dǎo)學(xué)案新人教版選修3-1.doc

3.6 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動1班級 姓名 ， 1課時 使用時間 一.學(xué)習(xí)目標(biāo)1學(xué)會推導(dǎo)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動的半徑公式、周期公式，并會用它們解答有關(guān)問題。2.知道質(zhì)譜儀和回旋加速器的基本構(gòu)造和工作原理，知道加速器的基本用途3掌握帶電粒子在磁場中的運(yùn)動問題的解題方法，會分析多解問題、臨界問題、極值問題。重點(diǎn)：回旋加速器的工作原理 帶電粒子在磁場中的運(yùn)動問題難點(diǎn)：回旋加速器的工作原理 帶電粒子在磁場中的運(yùn)動問題二、自學(xué)檢測1、帶電粒子以垂直于磁場的速度進(jìn)入磁場時，根據(jù)左定則粒子所受的洛倫茲力既垂直于_方向、又垂直于_方向，即洛倫茲力垂直于速度方向、磁感應(yīng)強(qiáng)度方向所構(gòu)成的平面，沒有任何力驅(qū)使粒子離開洛倫茲力和速度構(gòu)成的平面又因為洛倫茲力對帶電粒子不做功，根據(jù)動能定理，粒子的動能不變，即速度大小不變，洛倫茲力僅在不斷改變粒子的速度_，粒子做半徑公式為_,周期為_的勻速圓周運(yùn)動。2、粒子的_之比叫做比荷，比荷是帶電粒子的一種基本屬性，質(zhì)譜儀是測定帶電粒子比荷的重要儀器，利用質(zhì)譜儀可以精確測定某種元素的原子量，區(qū)分同位素3、回旋加速器原理：（1） 由于_原因，D形金屬扁盒內(nèi)沒有電場，粒子在D形金屬扁盒內(nèi)運(yùn)動時不能獲得加速，僅在磁場力作用下做_運(yùn)動，周期為_（2）兩個D形金屬扁盒縫隙中存在交變的電場，只要保證粒子每次進(jìn)入電場時，都是加速電場，粒子就能獲得加速粒子在磁場中轉(zhuǎn)過半圈的時間為圓周運(yùn)動的半周期，這就要求交流電經(jīng)過這段時間就要改變方向一次，盡管粒子的速度越來越大，但粒子的運(yùn)動周期與速度_，不計粒子通過縫隙所需要的時間，只要滿足交流電的周期與粒子作圓周運(yùn)動的周期_，粒子就能不斷地獲得加速D形金屬扁盒的半徑為R，根據(jù)Bqv=mv2/R，粒子飛出加速器時的動能為EK=mv2/2=B2R2q2/2m，它與加速電壓U無關(guān)。三合作探究任務(wù)一、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動問題設(shè)計如圖1所示的裝置是用來演示電子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動軌跡的裝置1.當(dāng)不加磁場時，電子的運(yùn)動軌跡如何？當(dāng)加上磁場時，電子的運(yùn)動軌跡如何？2如果保持電子的速度不變，加大磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，圓半徑如何變化？如果保持磁場的強(qiáng)弱不變,增大電子的速度,圓半徑如何變化？要點(diǎn)提煉1帶電粒子所受洛倫茲力與速度方向 ，只改變速度 ，不改變速度大小，對運(yùn)動電荷 功2沿著與磁場垂直的方向射入磁場中的帶電粒子，在勻強(qiáng)磁場中做 運(yùn)動其半徑為r ，運(yùn)動周期為T .例1已知?dú)浜伺c氦核的質(zhì)量之比m1m214，電荷量之比q1q212，當(dāng)氫核與氦核以v1v241的速度，垂直于磁場方向射入磁場后，分別做勻速圓周運(yùn)動，則氫核與氦核半徑之比r1r2_，周期之比T1T2_.任務(wù)二、回旋加速器問題設(shè)計1回旋加速器主要由哪幾部分組成？回旋加速器中磁場和電場分別起什么作用？2對交變電壓的周期有什么要求？帶電粒子獲得的最大動能由什么決定？要點(diǎn)提煉1交變電壓的周期等于帶電粒子在磁場中運(yùn)動的周期2帶電粒子獲得的最大動能Ekm，決定于 和 .例2回旋加速器是用來加速一群帶電粒子使它們獲得很大動能的儀器，其核心部分是兩個D形金屬扁盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相接，以便在盒間的窄縫中形成勻強(qiáng)電場，使粒子每穿過狹縫時都得到加速兩盒放在勻強(qiáng)磁場中，磁場方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子源射出的粒子電荷量為q，質(zhì)量為m，粒子圓周運(yùn)動最大軌道半徑為Rmax，其運(yùn)動軌跡如圖2所示問：(1)所加交流電頻率應(yīng)是多少？(2)粒子離開加速器時速度為多大？最大動能為多少？任務(wù)三、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動問題的分析要點(diǎn)提煉1圓心的確定(1)已知入射方向和出射方向時，可通過入射點(diǎn)和出射點(diǎn)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3甲所示，P為入射點(diǎn)，M為出射點(diǎn))(2)已知入射方向和出射點(diǎn)的位置時，可以通過入射點(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(如圖乙所示，P為入射點(diǎn)，M為出射點(diǎn))2半徑的確定半徑的計算一般利用幾何知識，如勾股定理、正弦函數(shù)、余弦函數(shù)等，做題時一定要做好輔助線，由圓的半徑和其他幾何邊構(gòu)成直角三角形3粒子在磁場中運(yùn)動時間的確定(1)利用回旋角(圓心角)計算運(yùn)動時間，粒子在磁場中運(yùn)動一周的時間為T，則粒子運(yùn)動的圓弧所對應(yīng)的圓心角為時，其運(yùn)動時間tT.(2)當(dāng)v一定時，在磁場中運(yùn)動的時間t，l為帶電粒子通過的弧長例題3：示，一束電荷量為e的電子以垂直于磁場方向(磁感應(yīng)強(qiáng)度為B)并垂直于磁場邊界的速度v射入寬度為d的磁場中，穿出磁場時速度方向和原來射入方向的夾角為30.求電子的質(zhì)量和穿越磁場的時間【當(dāng)堂訓(xùn)練】1運(yùn)動電荷進(jìn)入磁場后(無其他力作用)可能做()A勻速圓周運(yùn)動B勻速直線運(yùn)動C勻加速直線運(yùn)動D平拋運(yùn)動2有三束粒子，分別是質(zhì)子(p)、氚核(H)和粒子(He)束，如果它們以相同的速度沿垂直于磁場方向射入勻強(qiáng)磁場(磁場方向垂直紙面向里)，在下面所示的四個圖中，能正確表示出這三束粒子運(yùn)動軌跡的是() 3帶電粒子進(jìn)入云室會使云室中的氣體電離，從而顯示其運(yùn)動軌跡如圖1所示是在有勻強(qiáng)磁場的云室中觀察到的粒子的軌跡，a和b是軌跡上的兩點(diǎn)，勻強(qiáng)磁場B垂直于紙面向里該粒子在運(yùn)動時，其質(zhì)量和電荷量不變，而動能逐漸減少，下列說法正確的是()A粒子先經(jīng)過a點(diǎn)，再經(jīng)過b點(diǎn) B粒子先經(jīng)過b點(diǎn)，再經(jīng)過a點(diǎn)C粒子帶負(fù)電D粒子帶正電4質(zhì)子(H)和粒子(He)在同一勻強(qiáng)磁場中做半徑相同的圓周運(yùn)動由此可知質(zhì)子的動能E1和粒子的動能E2之比E1E2等于()A41B11C12D2151930年勞倫斯制成了世界上第一臺回旋加速器，其原理如圖2所示這臺加速器由兩個銅質(zhì)D形盒D1、D2構(gòu)成，其間留有空隙，下列說法正確的是()A離子由加速器的中心附近進(jìn)入加速器B離子由加速器的邊緣進(jìn)入加速器C離子從磁場中獲得能量D離子從電場中獲得能量四檢測清盤1、關(guān)于帶電粒子在磁場中的運(yùn)動，下列說法正確的是（ ）A、帶電粒子飛入勻強(qiáng)磁場后，一定做勻速圓周運(yùn)動B、帶電粒子飛入勻強(qiáng)磁場后做勻速圓周運(yùn)動時，速度一定不變C、帶電粒子飛入勻強(qiáng)磁場后做勻速圓周運(yùn)動時，洛侖茲力的方向總和運(yùn)動方向垂直D、帶電粒子飛入勻強(qiáng)磁場后做勻速圓周運(yùn)動時，動能一定保持不變2、質(zhì)子和粒子在同一勻強(qiáng)磁場中做半徑相同的圓周運(yùn)動，由此可知，質(zhì)子的動能E1和粒子的動能E2之比E1：E2等于（ ）A、4：1 B、1：1 C、1：2 D2：13、帶電粒子以相同的速度分別垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場時，它將（ ）A、在勻強(qiáng)電場中做勻速圓周運(yùn)動 B、在勻強(qiáng)磁場中做變加速曲線運(yùn)動C、在勻強(qiáng)電場中做拋物線運(yùn)動 D、在勻強(qiáng)磁場中做拋物線運(yùn)動4、把擺球帶電的單擺置于勻強(qiáng)磁場中，如圖所示，當(dāng)帶電擺球最初兩次經(jīng)過最低點(diǎn)時，相同的量是（ ）A、小球受到的洛侖茲力 B、擺線的拉力C、小球的動能 D、小球的加速度5、如圖所示ab是一段彎管，其中心線是半徑為R的一段圓弧，將它置于一給定的勻強(qiáng)磁場中，磁場方向如圖所示，有一束粒子對準(zhǔn)a端射入彎管，粒子有不同質(zhì)量，不同速度，但都是二價正離子，下列說法中正確的是（ ）A、只有速度大小一定的粒子可以沿中心線通過彎管B、只有質(zhì)量一定的粒子可以沿中心線通過彎管C、只有動量大小一定的粒子可以沿中心線通過彎管D、只有動能一定的粒子可以沿中心線通過彎管6、如圖所示，比荷為e/m的電子從左側(cè)垂直于界面、垂直于磁場射入寬度為d、磁感受應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場區(qū)域，要從右側(cè)面穿出這個磁場區(qū)域，電子的速度至少應(yīng)為（ ）A、2Bed/m B、Bed/m C、Bed/(2m) D、Bed/m7、邊長為a的正方形處于有界磁場中，如圖所示。一束電子以速度v0水平射入磁場后，分別從A處和C處射出，則VA:VC=1:2，所經(jīng)歷的時間之比tA:tB= 。8、一初速度為零的帶電粒子，經(jīng)電壓為U的電場加速后進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，已知帶電粒子的質(zhì)量為m，電量為q，則帶電粒子所受的洛侖茲力為 ，軌道半徑為 。五學(xué)有所得