帶電粒子在勻強磁場中的運動開課課件第1頁，課件共29頁，創作于2023年2月提出問題沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在勻強磁場中做什么運動？V-第2頁，課件共29頁，創作于2023年2月猜想與假設V-F洛V-F洛V-F洛V-F洛可能是圓周運動！第3頁，課件共29頁，創作于2023年2月歐洲大型強子對撞機第4頁，課件共29頁，創作于2023年2月實驗探究電子槍玻璃泡勵磁線圈第5頁，課件共29頁，創作于2023年2月實驗探究觀察現象：1、不加磁場時觀察電子束的徑跡。2、給勵磁線圈通電，在玻璃泡中產生沿兩線圈中心連線方向的磁場，觀察電子束的徑跡。第6頁，課件共29頁，創作于2023年2月無磁場實驗探究有磁場實驗結論：1、可以看到，在沒有磁場作用時，電子的軌跡是直線。2、在管外加上垂直初速度方向的勻強磁場，電子的軌跡變彎曲成圓形。第7頁，課件共29頁，創作于2023年2月一、帶電粒子在勻強磁場中的運動1、垂直射入勻強磁場的帶電粒子，它的初速度和所受洛倫茲力的方向都在跟磁場方向垂直的平面內，沒有任何作用使粒子離開這個平面，所以粒子只能在這個平面內運動。2、由于洛侖茲力永遠垂直于粒子的速度，對粒子不做功。它只改變粒子的運動方向，不改變其速度大小，因此粒子運動時速率不變。3、由于粒子速度大小不變，所以粒子在勻強磁場中所受洛侖茲力的大小也不改變，加之洛侖茲力總是與速度方向垂直，正好起到了向心力的作用。所以沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在勻強磁場中做勻速圓周運動。理論論證第8頁，課件共29頁，創作于2023年2月實驗探究觀察現象：3、保持出射電子的速度不變，改變磁感應強度，觀察電子束徑跡的變化。4、保持磁感應強度不變，改變出射電子的速度，觀察電子束徑跡的變化。第9頁，課件共29頁，創作于2023年2月實驗探究實驗結論：3、保持出射電子的速度不變，磁感應強度越大，電子束徑跡的半徑越小。4、保持磁感應強度不變，出射電子的速度越大，電子束徑跡的半徑越大。第10頁，課件共29頁，創作于2023年2月一、帶電粒子在勻強磁場中的運動1、軌道半徑帶電粒子只受洛倫茲力，作圓周運動，洛倫茲力提供向心力：解得：理論推導（沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在勻強磁場中做勻速圓周運動。）第11頁，課件共29頁，創作于2023年2月一、帶電粒子在勻強磁場中的運動沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在勻強磁場中做勻速圓周運動。1、軌道半徑2、運行周期（周期跟軌道半徑和運動速率均無關）第12頁，課件共29頁，創作于2023年2月例1、一個帶電粒子沿垂直于磁場的方向射入一個勻強磁場，粒子后段軌跡如圖所示，軌跡上的每一小段都可近似看成是圓弧.由于帶電粒子使沿途的空氣電離，粒子的能量逐漸減少(帶電量不變).從圖中情況可以確定A.粒子從a到b，帶正電B.粒子從b到a，帶正電C.粒子從a到b，帶負電D.粒子從b到a，帶負電第13頁，課件共29頁，創作于2023年2月帶電粒子在氣泡室運動徑跡的照片（1）不同帶電粒子的徑跡半徑為何不同？（2）同一徑跡上為什么曲率半徑越來越小？第14頁，課件共29頁，創作于2023年2月同一磁場中不同帶電粒子的跡徑不同能否根據帶電粒子的運動軌跡分辨比荷不同的粒子？質譜儀:是一種分析同位素、測定帶電粒子比荷及測定帶電粒子質量的重要工具。二、質譜儀第15頁，課件共29頁，創作于2023年2月例2：一個質量為m、電荷量為q的粒子，從容器下方的小孔S1飄入電勢差為U的加速電場，其初速度幾乎為零，然后經過S3沿著與磁場垂直的方向進入磁感應強度為B的勻強磁場中，最后打到照相底片D上。（1）求粒子進入磁場時的速率。（2）求粒子在磁場中運動的軌道半徑。第16頁，課件共29頁，創作于2023年2月可見半徑不同意味著比荷不同，意味著它們是不同的粒子（測粒子比荷或計算粒子的質量）第17頁，課件共29頁，創作于2023年2月三、回旋加速器要認識原子核內部的情況，必須把核“打開”進行“觀察”。然而，原子核被強大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為“炮彈”去轟擊，才能把它“打開”。產生高能“炮彈”的“工廠”就是各種各樣的粒子加速器。第18頁，課件共29頁，創作于2023年2月三、回旋加速器1.加速原理：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：（一）直線加速器3.困難：技術上不能產生過高電壓；加速設備長。第19頁，課件共29頁，創作于2023年2月第20頁，課件共29頁，創作于2023年2月三、回旋加速器（一）直線加速器（二）回旋加速器解決上述困難的一個途徑是把加速電場“卷起來”，用磁場控制軌跡，用電場進行加速。回旋加速器的核心部分是Ｄ形金屬盒，兩Ｄ形盒之間留有窄縫，中心附近放置離子源(如質子、氘核或粒子源等)。在兩Ｄ形盒間接上交流電源于是在縫隙里形成一個交變電場。Ｄ形盒裝在一個大的真空容器里，整個裝置放在巨大的電磁鐵兩極之間的強大磁場中，這磁場的方向垂直于Ｄ形盒的底面。第21頁，課件共29頁，創作于2023年2月三、回旋加速器原理：電場使粒子加速，磁場使粒子回旋。回旋周期：，與半徑、速度的大小無關。離盒時粒子的最大動能：與加速電壓無關，由半徑決定。第22頁，課件共29頁，創作于2023年2月三、回旋加速器回旋加速器的局限性（1）D形盒半徑不能無限增大（2）受相對論效應制約，質量隨速度而增大，周期T變化。第23頁，課件共29頁，創作于2023年2月此加速器可將質子和氘核加速到1MeV的能量，為此1939年勞倫斯獲得諾貝爾物理學獎.1932年勞倫斯研制第一臺回旋加速器的D型室.三、回旋加速器第24頁，課件共29頁，創作于2023年2月第25頁，課件共29頁，創作于2023年2月第26頁，課件共29頁，創作于2023年2月四、霍爾效應1879年霍耳發現，把一載流導體放在磁場中，如果磁場方向與電流方向垂直，則在與磁場和電流二者垂直的方向上出現橫向電勢差，這一現象稱之為霍耳現象。第27頁，課件共29頁，創作于2023年2月四、霍爾效應如圖，導電板高度為b厚度為d放在垂直于它的磁場B中。當有電流I通過它時，由于磁場使導體內移動的電荷發生偏轉，結果在A、A’兩側分別聚集了正、負電荷，在導電板的A、A’兩側會產生一個電勢差U。設導電板內運動電荷的平均定向速率為u，它們在磁場中受到的洛侖茲力為：當導電板的A、A’兩側產生電勢差后，運動電荷會受到電場力：導電板內電流的微觀表達式為：由以上各式解得：其中叫霍爾系數第28頁，課件共29頁，創作于2023年2月例3、我國第21次南極科考隊在南極觀看到了美麗的極光。極光是由來自太陽的高能量帶電粒子流高速沖進高空稀薄大氣層時，被地球磁場俘獲，從而改變原有運動方向，向兩極做螺旋運動，如圖5所示。這些高能粒子在運動過程中與大氣分子或原子劇烈碰撞或摩擦從而激發大氣分子或原子，使其發出有一定特征的各種顏色的光。地磁場的存在，使多數宇宙粒子不能到達地面而向人煙稀少的兩極偏移，為地球生命的誕生和維持提供了天然的屏障。科學家發現并證實，向兩極做