2018-2019學(xué)年高中物理 第三章 磁場 6 帶電粒子在勻強磁場中的運動課件 新人教版選修3-1.ppt

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1、6帶電粒子在勻強磁場中的運動,,1理解洛倫茲力對粒子不做功 2理解帶電粒子的初速度方向與磁感應(yīng)強度的方向垂直時，粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動 3會推導(dǎo)帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑、周期公式，并會用它們解答有關(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】 帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑和周期公式，并能用來分析有關(guān)問題 【難點】 (1)粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動 (2)綜合運用力學(xué)知識、電磁學(xué)知識解決帶電粒子在復(fù)合場中的問題,重點難點,,,本節(jié)教學(xué)過程中，建議通過引導(dǎo)學(xué)生由洛倫茲力對運動電荷的作用力的分析，逐步得

2、出帶電粒子在磁場中的運動規(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，體會如何用已學(xué)知識來探討研究新問題.,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)入勻強電場和勻強磁場中，它們將做什么運動？(如圖361甲所示) 學(xué)生：類平拋和勻速圓周運動 在此學(xué)生很有可能根據(jù)帶電粒子進(jìn)入勻強電場做平拋運 動的經(jīng)驗，誤認(rèn)為帶電粒子垂直進(jìn)入勻強磁場也做類平拋運動在這里不管學(xué)生回答,新課導(dǎo)入,,,正確與錯誤，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 教師演示實驗：帶電粒子在磁場中的運動洛倫茲力演示儀 多媒體展示粒子在電場和磁場中的軌跡圖

3、，比較帶電粒子垂直進(jìn)入勻強電場和勻強磁場這兩種情況下運動軌跡的差別 學(xué)生自己得出結(jié)論：粒子在勻強磁場中做圓周運動 教師：今天我們來學(xué)習(xí)帶電粒子在勻強磁場中的運動、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、正負(fù)電子對撞機(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中的運動今天我們就開始探究帶電粒子在磁場中運動的規(guī)律.,新課導(dǎo)入,,帶電粒子在勻強磁場中運動,,知識必備,知識點一,洛倫茲力,質(zhì)譜儀,,知識必備,知識點二,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)電場強度近似為零.,回旋加速器,,知識必備,知識點三,電場,勻強磁場,圖3-6-2,,知識必備,勻速圓周,想一想帶電粒子在磁場里做圓周運動,其運動周期與速度有關(guān)嗎?當(dāng)圓弧的圓心角為時,運動時間怎么計算?,,學(xué)習(xí)互動,帶電粒子在磁場中運動時間的分析,考點一,要點總結(jié),,學(xué)習(xí)互動,3.如圖3-6-3所示,應(yīng)注意到: 速度的偏向角等于弧AB所對的圓心角; 偏向角與弦切角的關(guān)系為:180時,=360-2.,,學(xué)習(xí)互動,圖3-6-3,,學(xué)習(xí)互動,例1如圖3-6-

5、4所示, 有界勻強磁場邊界線SPMN,兩完全相同的帶電粒子以不同速度從S點沿SP方向同時射入磁場,其中一粒子以速度v1垂直MN從點a射出,另一粒子以速度v2與MN成60角從b點射出,設(shè)兩粒子從S到a、b所需的時間分別為t1、t2,則t1t2為() A.13B.43 C.11 D.32,圖3-6-4,,,學(xué)習(xí)互動,想一想 帶電粒子在磁場里做圓周運動,圓心怎樣確定?,,學(xué)習(xí)互動,半徑r= 的應(yīng)用,考點二,要點總結(jié) 確定帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的圓心、半徑的方法: (1)圓心的確定.因為洛倫茲力F指向圓心,根據(jù)Fv,畫出粒子運動軌跡上任意兩點(一般是射入和射出磁場的兩點)的F的方向,其延

6、長線的交點為圓心. (2)半徑的確定.半徑的確定一般是利用幾何知識,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.,,學(xué)習(xí)互動,,學(xué)習(xí)互動,例2 如圖3-6-5所示, a和b兩粒子帶電荷量相同,以相同動能從A點射入磁場,在勻強磁場中做圓周運動的半徑ra=2rb,則可知(重力不計)() 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,,學(xué)習(xí)互動,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磁場,兩板間距離

7、及兩板長均為d.一帶正電的質(zhì)子從MN板的正中間O點以速度v0垂直射入磁場,為使質(zhì)子能射出兩板間,試求磁感應(yīng)強度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,想一想 有同學(xué)認(rèn)為回旋加速器的加速是電場完成的,粒子的最大速度只與電場有關(guān),與磁場無關(guān),該觀點是否正確?,,學(xué)習(xí)互動,回旋加速器,考點三,要點總結(jié),,學(xué)習(xí)互動,,學(xué)習(xí)互動,,學(xué)習(xí)互動,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D形金屬盒,兩盒間的狹縫中形成周期性變化的電場,使粒子在通過狹縫時都能得到加速,兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強磁場中,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,勻強磁場的磁感應(yīng)強度為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,備用習(xí)題,,1. 處于勻強磁場中的一個帶電粒子僅在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動將該粒子的運動等效為環(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，一輕繩拉著一個帶電小球繞豎直方向的軸O在勻強磁場中做逆時針方向的水平勻速圓周運動磁場的方向豎直向下，其俯視圖如圖368所示若小球運動到A點時，繩子突然斷開，關(guān)于小球在繩斷開后的運動情況，以下說法不可能的是() A小球仍做逆時針勻速圓周運動，半徑不變 B小球仍做逆時針勻速圓周運動，半徑減小 C小球做順時針勻速圓周運動，半徑不變 D小球做順時針勻速圓周運動，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，這時繩子對小球沒有作用力，繩子斷開時，對小球的運動沒有影響，小球仍做逆時針的勻速圓周運動

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，向心力減小(注意小球的速率不變)，則小球做逆時針的圓周運動，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，繩子斷后，小球做順時針的勻速圓周運動，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，則繩子斷后，向心力增大，小球做順時針的勻速圓周運動，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垂直磁場邊界射入寬度為d的勻強磁場中，穿出磁場時速度方向和原來的射入方向的夾

11、角為60，求電子的質(zhì)量和穿越磁場的時間,圖369,,備用習(xí)題,,,1.(帶電粒子在磁場中的運動軌跡)2018湖南長郡中學(xué)期中 粒子甲的比荷是粒子乙的2倍.兩粒子均帶正電.讓它們在勻強磁場中同一位置以大小相等、方向相反的速度在充滿磁場的紙面內(nèi)運動.已知磁場方向垂直于紙面向里.圖3-6-8中能正確表示兩粒子運動軌跡的是 (),圖3-6-8,自我檢測,,,自我檢測,,2.(帶電粒子在磁場中的運動軌跡)一個帶電粒子沿垂直于磁場的方向射入一勻強磁場區(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,,,自我檢測,,,自我檢測,3.(帶電粒子在磁場中運動)(多選)有兩個勻強磁場區(qū)域和,中的磁感應(yīng)強度是中磁感應(yīng)強度的k倍.兩個速率相同的電子分別在兩磁場區(qū)域做圓周運動.與中運動的電子相比,中的電子() A.運動軌跡的半徑是中的k倍 B.加速度的大小是中的k倍 C.做圓周運動的周期是中的k倍 D.做圓周運動的角速度與中的相等,,自我檢測,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D形金屬盒,在加速帶電粒子時,兩金屬盒置于勻強磁場中

13、,并分別與高頻電源相連.帶電粒子在磁場中運動的動能Ek隨時間t的變化規(guī)律如圖乙所示.若忽略帶電粒子在電場中的加速時間,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,粒子最大動能一定越大 D.要想粒子獲得的最大動能越大,則要求D形盒的面積也越大,圖3-6-10,,,自我檢測,,自我檢測,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,電勢差為U,板間電場可視為勻強電場;金屬板下方有一磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場.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)電場加速后射出,并進(jìn)入磁場做勻速圓周運動.忽略重力的影響,求: (1)勻強電場場強E的大小; (2)粒子從電場射出時速度v的大小; (3)粒子在磁場中做勻速圓周運動的半徑R.,圖3-6-11,,,自我檢測,