带电粒子在磁场中的运动课件-人教版.ppt
3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动,带电粒子在磁场中运动情况,1、找圆心：方法-2、定半径：3、确定运动时间：,注意：用弧度表示,3、如图所示，在直线MN的右侧有磁感应强度为B的匀强磁场，方向垂直向里。电子(电量e、质量m)以速度v从MN上的孔A，垂直于MN方向射入匀强磁场，途经P点，并最终打在MN上的C点、已知AP连线与速度方向的夹角为，不计重力。求（1）A、C之间的距离（2）从A运动到P点所用的时间。,C,O,【例题】如图所示，在POQ区域内分布有磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，有一束正离子流（不计重力），沿纸面垂直于磁场边界OQ方向从A点垂直边界射入磁场，已知OA=d，POQ=45，离子的质量为m、带电荷量为q、要使离子不从OP边射出，离子进入磁场的速度最大不能超过多少？,P,O,Q,A,（一）质谱仪,二、实际应用,1.构造,带电粒子注入器,速度选择器（E、B1),照相底片,加速电场（U）,偏转磁场（B2),2.质谱仪工作原理,带电粒子经加速电场：,带电粒子经偏转磁场：,带电粒子经速度选择器:,由上可得：,测量带电粒子的质量,例题：一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上（如图）（1）求粒子进入磁场时的速率。（2）求粒子在磁场中运动的轨道半径。,3.质谱仪:最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的，现已成为一种精密仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具,思考：如何增大带电粒子的速度？说说你的想法。,一、直线加速器,方案一：利用电场加速,可知电压越高，粒子获得的能量越高，速度越大，但电压不可能无限制地提高（为什么？）,方案二：多级电场加速,各加速区的两板间采用独立电源,电源极性不能恒定，必须及时地改变电源的极性，可采用高频交变电源且要求电源极性变化必须与粒子运动配合默契，步调一致，即满足同步条件，这是确保加速器正常工作的关键所在 为了满足同步条件，在筒长不变时，高频交变电源的频率要越来越高，或电源频率不变，圆筒要相应加长,【例】N个长度逐个增大的金属圆筒和一个靶，它们沿轴线排列成一串，如图所示(图中只画出了六个圆筒,作为示意)。各筒和靶相间地连接到频率为、最大电压值为U的正弦交流电源的两端。整个装置放在高真空容器中，圆筒的两底面中心开有小孔。现有一电量为q、质量为m的正离子沿轴线射入圆筒，并将在圆筒间及圆筒与靶间的缝隙处受到电场力的作用而加速(设圆筒内部没有电场)。缝隙的宽度很小，离子穿过缝隙的时间可以不计。已知离子进入第一个圆筒左端的速度为v1，且此时第一、二两个圆筒间的电势差U1-U2=-U。为使打到靶上的离子获得最大能量，各个圆筒的长度应满足什么条件?并求出在这种情况下打到靶上的离子的能量。,分析与解：为使正离子获得最大能量，要求离子每次穿越缝隙时，前一个圆筒的电势比后一个圆筒的电势高U，这就要求离子穿过每个圆筒的时间都恰好等于交流电的半个周期。由于圆筒内无电场，离子在筒内做匀速运动。设vn 为离子在第n个圆筒内的速度，则有,小结(1)利用电场加速带电粒子；(2)通过多级加速电场获得高能粒子；(3)将加速电场以外的区域加静电屏蔽；(4)采用高频交变电源提供加速电压；(5)电场交替变化与带电粒子运动必须满足同步条件；,一、直线加速器,（二）回旋加速器,1、作用：产生高速运动的粒子,2、原理,1）两D形盒中有匀强磁场无电场，盒间缝隙有交变电场。,2）交变电场的周期等于粒子做匀速圆周运动的周期。,3）粒子最后出加速器的速度大小由盒的半径决定。,3、注意,1、带电粒子在匀强磁场中的运动周期 跟运动速率和轨道半径无关，对于一定的带电粒子和一定的磁感应强度来说，这个周期是恒定的。,2、交变电场的往复变化周期和粒子的运动周期T相同，这样就可以保证粒子在每次经过交变电场时都被加速。,3、由于侠义相对论的限制，回旋加速器只能把粒子加速到一定的能量。,思考：回旋加速器中磁场的磁感应强度为B，D形盒的直径为d，用该回旋加速器加速质量为m、电量为q的粒子，设粒子加速前的初速度为零。加速电压为U,求：,（1）粒子的回转周期是多大？,（2）高频电极的周期为多大？,（4）粒子的最大动能是多大？,（6）粒子在同一个D形盒中相邻两条轨道半径之比,（3）粒子经一个周期加速能量的变化为多少？,（5）粒子获得最大动能为Ek时，回旋周数和所需时间,1有了坚定的意志，就等于给双脚添了一对翅膀。2一个人的价值在于他的才华，而不在他的衣饰。3生活就像海洋，只有意志坚强的人，才能到达彼岸。4读一切好的书，就是和许多高尚的人说话。5最聪明的人是最不愿浪费时间的人。6不要因为怕被玫瑰的刺伤到你，就不敢去摘玫瑰。7大多数人想要改造这个世界，但却罕有人想改造自己。8命运把人抛入最低谷时，往往是人生转折的最佳期。谁若自怨自艾，必会坐失良机！,
