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高二物理新课标人教版选修3-1精品课件:3.6《带电粒子在匀强磁场中的运动》(PPT课件可编辑)


新课标人教版课件系列

《高中物理》
选修3-1

3.6《带电粒子在 匀强磁场中的运动》

教学目标
? (一)知识与技能 ? 1、知道什么是洛伦兹力.利用左手定则判断洛伦兹力的方 向. ? 2、知道洛伦兹力大小的推理过程. ? 3、掌握垂直进入磁场方向的带电粒子,受到洛伦兹力大 小的计算. ?

4、了解v和B垂直时的洛伦兹力大小及方向判断.理解洛伦 兹力对电荷不做功. ? 5、了解电视显像管的工作原理 ? (二)过程与方法 ? 通过观察,形成洛伦兹力的概念,同时明确洛伦兹力与安 培力的关系(微观与宏观),洛伦兹力的方向也可以用左手 定则判断。通过思考与讨论,推导出洛伦兹力的大小公式 F=qvBsinθ。最后了解洛伦兹力的一个应用——电视显像 管中的磁偏转。

? (三)情感态度与价值观 ? 引导学生进一步学会观察、分析、推理,培养学 生的科学思维和研究方法。让学生认真体会科学 研究最基本的思维方法:“推理—假设—实验验证”。 ? 二、重点与难点: ? 重点:1.利用左手定则会判断洛伦兹力的方向. ? 2.掌握垂直进入磁场方向的带电粒子,受到洛伦 兹力大小的计算. ? 这一节承上(安培力)启下(带电粒子在磁场中的运 动),是本章的重点 ? 难点:1.洛伦兹力对带电粒子不做功. ? 2.洛伦兹力方向的判断. ? 三、教具:电子射线管、高压电源、磁铁、多媒 体

第1课时

磁场中的带电粒子一般可分为两类:
1、带电的基本粒子:如电子,质子,α粒子,正负 离子等。这些粒子所受重力和洛仑磁力相比在小得 多,除非有说明或明确的暗示以外,一般都不考虑 重力。(但并不能忽略质量)。
2、带电微粒:如带电小球、液滴、尘埃等。除非有 说明或明确的暗示以外,一般都考虑重力。

3、某些带电体是否考虑重力,要根据题目暗 示或运动状态来判定

判断下图中带电粒子(电量q,重力不计)所 受洛伦兹力的大小和方向:
× × ×B× × × × × × ×

-

v

B

× × × × × v + × × × × × × × × × ×

一、运动形式
1、匀速直线运动。

2、

如果带电粒子射入匀强磁场时,初速度方向与磁场方向垂直,
粒子仅在洛伦兹力的作用下将作什么运动?

1、圆周运动的半径

v qvB ? m R

2

mv R? qB
2? m T? qB

2、圆周运动的周期

2? R T? v

思考:周期与速度、半径什么关系?

粒子运动方向与磁场有一夹角 (大于0度小于90度)轨迹为螺线

带电粒子在磁场中运动情况研究 利用v⊥R ? 1、找圆心:方法 利用弦的中垂线 ? 2、定半径: 几何法求半径 ? 3、确定运动时间: 向心力公式求半径

注意:θ用弧度表示

t? T T ? qB
? 2? 2?m

例:垂直纸面向外的匀强磁场仅限于宽度为d的 条形区域内,磁感应强度为B.一个质量为m、 电量为q的粒子以一定的速度垂直于磁场边界方 向从α点垂直飞入磁场 区,如图所示,当它飞 离磁场区时,运动方向 偏转θ角.试求粒子的 运动速度v以及在磁场中 运动的时间t.

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,其初速度几乎 为零,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。 ?(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。

质谱仪 通过测出粒子圆周运动的半径,计算粒子 的比荷或质量及分析同位素的仪器.

练习2 氘核和α粒子,从静止开始经相同 电场加速后,垂直进入同一匀强磁场作圆周 运动.则这两个粒子的动能之比为多少?轨道 半径之比为多少?周期之比为多少?

? ? ? ? ?

练习1.如图,一束具有各种速率的带正一个元 电荷的两种铜离子质量分别为m1和m2 ,水平地经小孔 S进入有互相垂直的匀强电场和匀强磁场的区域,其 中磁场、电场方向如图,只有那些路径不发生偏转 的离子才能通过另一小孔进入匀强磁场中,此后两 种离子将沿不同路径做圆周运动,到达底片P时两离 子间距为d,求此d值。 , 已知:E=1.00 ?105V/m B? B=0.40T B′=0.50T m1=63 ?1.66 ?10-27kg m2=65 ?1.66 ?10-27kg

2、如图所示,在半径为 R 的圆的范围内,
有匀强磁场,方向垂直圆所在平面向

里.一带负电的质量为m电量为q粒子,从A
点沿半径AO的方向射入,并从C点射出磁

场.∠AOC=120o.则此粒子在磁场中运行
的时间t=__________.
B A v O R

(不计重力).

C v

1、如图所示,一束电子(电量为e)以速度V垂

直射入磁感应强度为B、宽度为d的匀强磁场,
穿透磁场时的速度与电子原来的入射方向的夹

角为300。求 : (1) 电子的质量m=?
子在磁场中的运动时间t=? e

(2) 电
v θ B d

练习教材P102页第1,2,3

第2课时

复习回顾

1、圆周运动的半径

v qvB ? m R

2

mv R? qB
2? m T? qB

2、圆周运动的周期

2? R T? v

思考:周期与速度、半径什么关系?

带电粒子在磁场中运动情况研究 利用v⊥R ? 1、找圆心:方法 利用弦的中垂线

? 2、定半径:

几何法求半径

? 3、确定运动时间: 向心力公式求半径

注意:θ用弧度表示

t? T T ? qB
? 2? 2?m

例:如图所示,在第一象限有磁感应强度为B的 匀强磁场,一个质量为m,带电量为+q的粒子 以速度v从O点射入磁场,θ角已知,求粒子在 磁场中飞行的时间和飞离磁场的位置(粒子重 力不计)

直线加速器



粒子在每个加速电场中的运动时间相等, 因为交变电压的变化周期相同

回旋加速器

2.回旋加速器

回旋加速器
两D形盒中有匀强磁场无电场,盒

间缝隙有交变电场。
电场使粒子加速,磁场使粒子回旋。 粒子回旋的周期不随半径 改变。让电场方向变化的 周期与粒子回旋的周期一 致,从而保证粒子始终被

加速。

练习: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。求:
(1) 粒子的回转周期是多大?

(2)高频电极的周期为 多大? (3) 粒子的最大速度 最大动能各是多大?
(4) 粒子在同一个D 形盒中相邻两条轨道半 径之比

1. 在磁场中做圆周运动,周期不变
2. 每一个周期加速两次

结论

3. 电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相 同 4. 电场一个周期中方向变化两次 5. 粒子加速的最大速度由盒的半径决定 6. 电场加速过程中,时间极短,可忽略

1.关于回旋加速器的工作原理,下列说法正确的是:

A、电场用来加速带电粒子,磁场则使带电粒子回旋
B、电场和磁场同时用来加速带电粒子

C、同一加速器,对某种确定的粒子,它获得的最大 动能由加速电压决定 D、同一加速器,对某种确定的粒子,它获得的最大 动能由磁感应强度B决定和加速电压决定
(A)

霍尔效应 d
h I=neSv=nedhv eU/h=evB B I

U=IB/ned=kIB/d

k是霍尔系数

练习(2000理科综合)如图所示.厚度为h,宽度为d的导体板放在 垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中,当电流通过导体板时, 在导体板的上侧面A和下侧面A’之间会产生电势差.这种现象称为 霍尔效应.实验表明,当磁场不太强时,电势差U、电流I和B的关 系为U=kIB/d 式中的比例系数K称为霍尔系数. 霍尔效应可解释如下:外部磁场 的洛仑兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧,在导体板的另一侧 会出现多余的正电荷,从而形成横向电场.横向电场对电子施加与 洛仑兹力方向相反的静电力.当静电力与洛仑兹力达到平衡时,导 体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流I是电子的定向流 动形成的,电子的平均定向速度为v, 电量为e.回答下列问题:

(1)达到稳定状态时,导体板上侧面A的电势 下侧面A’的电势(填:高于、低于或等于)。 (2)电子所受的洛仑兹力的大小为 。

(3)当导体板上下两侧之间的电势差为U时,电子所 受静电力的大小为 。 (4)由静电力和洛仑兹力平衡的条件,证明霍尔系 数为k=1/ne其中n代表导体板单位体积中电子的个 数.
导学P98页第21题

第3课时

带电粒子在无界匀强磁场中的运动
在 只 有 洛 仑 兹 力 的 作 用 下

V//B

F洛=0 匀速直线运动

V⊥B

F洛=Bqv 匀速圆周运动

mV R? qB
2? m T? qB

v与B成θ角

F洛=Bqv⊥ 等距螺旋(0<θ<90°)

带电粒子在磁场中运动情况研究 利用v⊥R ? 1、找圆心:方法 利用弦的中垂线

? 2、定半径:

几何法求半径

? 3、确定运动时间: 向心力公式求半径

注意:θ用弧度表示

t? T T ? qB
? 2? 2?m

确定带电粒子在磁场中运动轨迹的方法
1、物理方法:
作出带电粒子在磁场中两个位置所受洛仑兹力,沿其方向 延长线的交点确定圆心,从而确定其运动轨迹。

2、物理和几何方法:
作出带电粒子在磁场中某个位置所受洛仑兹力,沿其方向 的延长线与圆周上两点连线的中垂线的交点确定圆心,从 而确定其运动轨迹。

3、几何方法:
①圆周上任意两点连线的中垂线过圆心②圆周上两条切线 夹角的平分线过圆心③过切点作切线的垂线过圆心

有界磁场问题:

1.如图,虚线上方存在无穷大的磁场,一带正电 的粒子质量m、电量q、若它以速度v沿与虚线成300、 600、900、1200、1500、1800角分别射入,请你作 出上述几种情况下粒子的轨迹、并求其在磁场中 运动的时间。

入射角300时

1 2?m ?m t? ? 6 qB 3qB

入射角1500时

5 2?m 5m? t? ? 6 qB 3qB

1、两个对称规律: 粒子在磁场中做圆周运动的对称规律: 从同一直线边界射入的粒子,从同一边界射出时,速度与边界 的夹角相等。

临界问题
例:长为L的水平极板间,有垂直纸面向内的匀强磁 场,如图所示,磁感强度为B,板间距离也为L,板 不带电,现有质量为m,电量为q的带正电粒子 (不计重力),从左边极板间中点处垂直磁感线以速 度v水平射入磁场,欲使粒子不打在极板上,可采用 的办法是: ( ) A.使粒子的速度v<BqL/4m B.使粒子的速度v>5BqL/4m C.使粒子的速度v>BqL/m D.使粒子速度BqL/4m<v<5BqL/4m

例题讲解

练习、如图所示,在半径为r的圆形区域内,有一 个匀强磁场,一带电粒子以速度v0从M点沿半径 方向射入磁场区,并由N点射出,O点为圆心, ∠MON=120°,求粒子在磁场区的偏转半径R及 在磁场区中的运动时间。(粒子重力不计)


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