高中物理課件：第五節(jié)《帶電粒子在磁場中的運(yùn)動》（人教版選修3-1）

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歡迎進(jìn)入物理課堂 第五節(jié)帶電粒子在磁場中的運(yùn)動質(zhì)譜儀 核心要點突破 課堂互動講練 知能優(yōu)化訓(xùn)練 第五節(jié) 課前自主學(xué)案 目標(biāo)概覽 目標(biāo)概覽 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1 理解帶電粒子的初速度方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直時 做勻速圓周運(yùn)動 2 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 周期公式 并會用它們解答有關(guān)問題 3 知道質(zhì)譜儀的工作原理 重點難點 1 帶電粒子垂直射入勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動半徑和運(yùn)動周期 2 確定垂直射入勻強(qiáng)磁場中的帶電粒子的運(yùn)動是勻速圓周運(yùn)動 課前自主學(xué)案 一 演示實驗如圖15 5 1中甲 乙所示圖15 5 11 不加磁場時 觀察到電子束的徑跡是 2 加上磁場時 電子束的徑跡是 增加電子的速度 圓周半徑 增強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度 圓周半徑 一條直線 一個圓 增大 減小 二 帶電粒子在磁場中的運(yùn)動1 洛倫茲力不改變帶電粒子速度的 或者說 洛倫茲力不對帶電粒子 2 洛倫茲力總與速度方向 正好起到了向心力的作用 3 沿著與磁場方向垂直的方向射入磁場的帶電粒子 在勻強(qiáng)磁場中做 大小 做功 垂直 勻速圓周運(yùn)動 三 質(zhì)譜儀1 質(zhì)譜儀是測量帶電粒子的 和分析 的重要工具 其原理示意圖及結(jié)構(gòu)圖如圖15 5 2所示 圖15 5 2 質(zhì)量 同位素 qU qvB 圓周的半徑 粒子的比荷 q m 粒子質(zhì)量 核心要點突破 一 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動1 垂直進(jìn)入勻強(qiáng)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(nèi) 沒有任何作用力使粒子離開這個平面 所以粒子只能在這個平面內(nèi)運(yùn)動 2 垂直射入勻強(qiáng)磁場的帶電粒子 受到的洛倫茲力總跟粒子的運(yùn)動方向垂直 所以帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動 特別提醒 1 只有垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場的帶電粒子 才能在磁場中做勻速圓周運(yùn)動 2 帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動的半徑與帶電粒子進(jìn)入磁場時速率的大小有關(guān) 而周期與速率 半徑都無關(guān) 二 如何確定軌道圓心 軌道半徑和偏向角1 已知入射方向和出射方向時 可以通過入射點和出射點作垂直于入射方向和出射方向的直線 兩條直線的交點就是圓弧軌道的圓心 如圖15 5 3甲所示 P為入射點 M為出射點 O為軌道圓心 圖15 5 3 2 已知入射方向和出射點的位置時 可以通過入射點作入射方向的垂線 連接入射點和出射點 作其中垂線 這兩條垂線的交點就是圓弧軌道的圓心 如圖15 5 3乙所示 P為入射點 M為出射點 O為軌道圓心 圖15 5 4 課堂互動講練 如圖15 5 5所示 矩形MNPQ區(qū)域內(nèi)有方向垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場 有5個帶電粒子從圖中箭頭所示位置垂直于磁場邊界進(jìn)入磁場 在紙面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動 運(yùn)動軌跡為相應(yīng)的圓弧 這些粒子的質(zhì)量 電荷量以及速度大小如下表所示 由以上信息可知 從圖中a b c處進(jìn)入的粒子對應(yīng)表中的編號分別為 A 3 5 4B 4 2 5C 5 3 2D 2 4 5圖15 5 5 又據(jù)題圖可知有3種粒子的電性相同 包括a b 另兩種粒子的電性也相同 包括c 但與前3種的電性相反 綜合以上情況可知 只有選項D正確 答案 D 點評 熟練掌握帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做圓周運(yùn)動的軌道半徑公式 理解軌道半徑與粒子質(zhì)量 電量 速度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系 變式訓(xùn)練1質(zhì)子 p 和 粒子以相同的速率在同一勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動 軌道半徑分別為Rp和R 周期分別為Tp和T 則下列選項正確的是 粒子的質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的4倍 粒子的電荷量是質(zhì)子電荷量的2倍 A Rp R 1 2 Tp T 1 2B Rp R 1 1 Tp T 1 1C Rp R 1 1 Tp T 1 2D Rp R 1 2 Tp T 1 1 如圖15 5 6所示 直線MN上方有垂直紙面向外的足夠大的有界勻強(qiáng)磁場區(qū)域 磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 正 負(fù)電子同時從O點以與MN成30 角的相同速度v射入該磁場區(qū)域 電子質(zhì)量為m 電量為e 經(jīng)一段時間后從邊界MN射出 求 圖15 5 6 1 它們從磁場中射出時 出射點間的距離 2 它們從磁場中射出的時間差 點評 求解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動的一般思路 1 畫軌跡 即確定圓心 幾何方法求半徑并畫出軌跡 2 找聯(lián)系 軌道半徑與磁感應(yīng)強(qiáng)度 運(yùn)動速度相聯(lián)系 偏轉(zhuǎn)角度與圓心角 運(yùn)動時間相聯(lián)系 在磁場中運(yùn)動的時間與周期相聯(lián)系 3 用規(guī)律 即牛頓第二定律和圓周運(yùn)動的規(guī)律 特別是周期公式 半徑公式 變式訓(xùn)練2空間存在方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場 圖15 5 8中的正方形為其邊界 一細(xì)束由兩種粒子組成的粒子流沿垂直于磁場的方向從O點入射 這兩種粒子帶同種電荷 它們的電荷量 質(zhì)量均不同 但其比荷相同 且都包含不同速率的粒子 不計重力 下列說法正確的是 圖15 5 8 A 入射速度不同的粒子在磁場中的運(yùn)動時間一定不同B 入射速度相同的粒子在磁場中的運(yùn)動軌跡一定相同C 在磁場中運(yùn)動時間相同的粒子 其運(yùn)動軌跡一定相同D 在磁場中運(yùn)動時間越長的粒子 其軌跡所對的圓心角一定越大 長為L的水平極板間 有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場 如圖15 5 9所示 磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 板間距離也為L 板不帶電 現(xiàn)有質(zhì)量為m 電荷量為q的帶正電粒子 不計重力 從左邊極板間中點處垂直于磁感線以速度v水平射入磁場 欲使粒子不打在極板上 其入射速度是多少 圖15 5 9 圖15 5 10 點評 解答此類問題的關(guān)鍵是確定粒子圓周運(yùn)動的圓心 半徑和軌跡 找圓心的方法是根據(jù)粒子進(jìn)入磁場時的初始條件和射出磁場時的臨界條件 確定粒子半徑要用到幾何知識 根據(jù)邊角關(guān)系確定 變式訓(xùn)練3一磁場寬度為L 磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 如圖15 5 11所示 一電荷質(zhì)量為m 帶電荷量為 q 不計重力 以一速度 方向如圖 射入磁場 若不使其從右邊界飛出 則電荷的速度應(yīng)為多大 圖15 5 11 如圖15 5 12所示為圖15 5 12 質(zhì)譜儀的示意圖 速度選擇器部分的勻強(qiáng)電場場強(qiáng)E 1 2 105V m 勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1 0 6T 偏轉(zhuǎn)分離的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2 0 8T 求 1 能通過速度選擇器的粒子速度為多大 2 質(zhì)子和氘核進(jìn)入偏轉(zhuǎn)分離器后打在照相底片上后 條紋之間的距離d為多少 已知一個中子和一個質(zhì)子的質(zhì)量相等 都為1 66 10 27kg 答案 1 2 105m s 2 5 2 10 3m 變式訓(xùn)練4如圖15 5 13所示是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖 帶電粒子被加速電場加速后 進(jìn)入速度選擇器 速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場的強(qiáng)度分別為B和E 平板S上有可讓粒子通過的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2 平板S下方有強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場 下列表述正確的是 圖15 5 13A 質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具B 速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向外C 能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于E BD 粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P 粒子的荷質(zhì)比越小 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全