带电粒子在匀强磁场中运动1教材.ppt

带电粒子在匀强磁场中的运动 亥姆霍兹线圈 电 子 枪 磁场强弱选择挡 加速电压 选择挡 洛伦兹力演示器实验 ： ②励磁线圈：作用是能在两线圈之间产生平行于 两线圈中心的连线的匀强磁场 ①加速电场：作用是改变电子束出射的速度 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： 匀速直线运动 F F=0 一、 带电粒子在匀强磁场中的运动（重力不计） 匀速圆周运动 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 + 一、带电粒子运动轨迹的半径 匀强磁场中带电粒子运动轨迹的半径与哪些因 素有关？ 思路: 带电粒子做匀速圆周运动，洛伦兹力提 供向心力 可见r与速度V、磁感应强度B、粒子的比荷有关 例1：一个带电粒子，沿垂直于磁场的方向 射入一匀强磁场．粒子的一段径迹如下图所 示．径迹上的每一小段都可近似看成圆弧． 由于带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能 量逐渐减小(带电量不变)．从图中情况可以 确定 A．粒子从a到b，带正电 B．粒子从a到b，带负电 C．粒子从b到a，带正电 D．粒子从b到a，带负电 C - e 2v .... .... .... .... B T=2πm/eB 例 2、匀强磁场中，有两个电子分别以速率v和2v沿垂 直于磁场方向运动，哪个电子先回到原来的出发点？ 两个电子同时回到原来的出发点 运动周期和电子的速率无关 轨道半径与粒子射入的速度成正比 v - e两个电子轨道半径如何？ 二、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时周期 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动 时周期有何特征？ 可见同一个粒子在匀强磁场中做匀速圆周 运动的周期与速度无关 回旋加速器就是根据这一特点设计的 例1．一个带负电粒子（质量为m，带电量为q），以速率v在磁感 应强度为B的匀强磁场中做逆时针圆周运动（沿着纸面），则该匀 强磁场的方向为垂直于纸面向里还是向外？粒子运转所形成的环 形电流的大小为多大？ - m，q v F=qvB .... .... .... .... B 匀强磁场的方向为垂直于纸面向外 I=q/t I=q/T T=2π（mv/qB）/v I=q/T=q2B/2πm 1. 如图所示，水平导线中有稳恒电流通过，导线正下 方电子初速度方向与电流方向相同，其后电子将 ( ) (A)沿a运动，轨迹为圆； (B)沿a运动，曲率半径越来越小； (C)沿a运动，曲率半径越来越大； (D)沿b运动，曲率半径越来越小. b v a I C 2. 质子和氘核经同一电压加速，垂直进入匀强磁场 中，则质子和氘核的动能E1、E2，轨道半径r1、r2 的关系是 ( ) (A)E1＝E2，r1＝r2； (B)E1＝E2，r1＜r2； (C)E1＝E2，r1＞r2； (D)E1＜E2，r1＜r2. B 返回 可见半径不同 意味着比荷不同， 意味着它们是不同 的粒子 这就是质谱仪的工作原理 一、质谱仪原理分析 1、质谱仪:是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具 2、工作原理将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一 电场加速再垂直进入同一匀强磁场，由于粒子质量不同， 引起轨迹半径不同而分开，进而分析某元素中所含同位素 的种类 质谱仪的两种装置 ⑴带电粒子质量m,电荷量q,由电压U加速后垂直进 入磁感应强度为B的匀强磁场,设轨道半径 为r,则有： N U O M B 可得 ⑵带电粒子质量m,电荷量q,以速度v穿过速度选择 器(电场强度E，磁感应强度B1),垂直进入磁感应强 度为B2的匀强磁场.设轨道半径为r,则有： M B2 E B1 NqE=qvB1 可得： 均可测定荷质比 1.加速器的种类有哪些? 2.各自是如何实现对带电粒子加速的? 3.各有什么优缺点? 阅读课本P101 思考下列问题 1．加速原理： 利用加速电场对带电粒子做正功使 带电粒子的动能增加。

二.加速器 直线加速器直线加速器 + U + + + 2．直线加速器（多级加速） 如图所示是多级加速装置的原理图： 二.加速器 直线加速器直线加速器 ～ 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 斯坦福大学的加速器斯坦福大学的加速器 多级直线加速器有什么缺点？ 直线加速器 利用加速电场对带电粒子做正 功,使带电的粒子动能增加， 即 qU =ΔEk ②直线加速器的多级加速： 教材图3.6-5所示的是多级 加速装置的原理图，由动能定理可知，带电粒子 经n级的电场加速后增加的动能， ΔEk=q（U1+U2+U3+U4+…Un） ③直线加速器占有的空间范围大，在有限的空 间内制造直线加速器受到一定的限制 P1 图3.6-5多级加速器 P2P3P4P5P6 一级二级三级 n级 … ①加速原理： 回旋加速器回旋加速器 1932年,美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器回旋加速器，， 从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了 一大步．为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖． 回旋加速器回旋加速器 回旋加速器 1、作用：产生高速运动的粒子 2、原理 用磁场控制轨道、用电场进行加速 +- +- ~ 回旋加速器回旋加速器 回旋加速器回旋加速器 交变交变 回旋加速器回旋加速器 交变电压的周期交变电压的周期T TE E = = 粒子在磁场中运动的周期粒子在磁场中运动的周期T T B B D D v v= =？？ U U B B 解：解： 当粒子从当粒子从D D形盒出口飞出时，形盒出口飞出时， 粒子的运动半径粒子的运动半径= =D D形盒的半径形盒的半径 回旋加速器回旋加速器 DD v v = =？？ U U B B 回旋加速器回旋加速器 问题问题6 6：：D越大，EK越大，是不是只要D不断增大 ， EK 就可以无限制增大呢? 回旋加速器回旋加速器 美国美国费米实验室加速器费米实验室加速器 2.交变电场的周期和粒子的运动周期 T相同----保证粒子每次经过交变 电场时都被加速 1. 粒子在匀强磁场中的运动周期不变 回旋加速器回旋加速器 3.带电粒子每经电场加速一次,回旋半径 就增大一次,每次增加的动能为 4.粒子加速的最大速度由盒的半径决定 周期与速度和轨道半径无关 带电粒子做匀速圆周运动的周期公式 , 带电粒子的周期在q、m、B不变的情况下与速度 和轨道半径无关。

因而圆运动周长 也将与v成正比例地增大， 如果其他因素(q、m、B)不变, 则当速率v加大时, 得知圆运动半径将与v成正比例地增大, 由 因此运动一周的时间（周期）仍将保持原值 最终能量 粒子运动半径最大为D形盒的半径R 带电粒子经加速后的最终能量： 由有 所以最终能量为 讨论：要提高带电粒子的最终能量，应采取什 么措施？ 回旋加速器加速的带电粒子, 能量达到25 MeV ～ 30 MeV后，就很难再加速了 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) 北京正负电子对撞机：撞出物质奥秘 大科学装置的存在和应用水 平，是一个国家科学技术发展的 具象它如同一块巨大的磁铁， 能够集聚智慧，构成一个多学科 阵地作为典型的大科学装置， 北京正负电子对撞机的重大改造 工程就是要再添磁力 北京正负电子对撞机在我国大科学装置工程中赫赫有名， 为示范之作。

1988年10月16日凌晨实现第一次对撞时，曾被 形容为“我国继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后， 在高科技领域又一重大突破性成就”北京正负对撞机重大改 造工程的实施，将让这一大科学装置“升级换代”，继续立在国 际高能物理的前端 北京正负电子对撞机重大改造工程完工后，将成为世界上 最先进的双环对撞机之一 世界上最大、能量最高的粒子加速器 ——欧洲大型强子对撞机 世界最大对撞机启动模拟宇宙大爆炸 中国参与研究 这项实验在深入地底100米、长达27公里的环型隧道内进行科学家预计，粒 子互相撞击时所产生的温度，比太阳温度还要高10万倍，就好比137亿年前宇宙 发生大爆炸时那一剎那的情况 在瑞士和法国边界地 区的地底实验室内，科学 家们正式展开了被外界形 容为“末日实验”的备受争 议的计划他们启动了全 球最大型的强子对撞机 (LHC)，把次原子的粒子 运行速度加快至接近光速 ，并将互相撞击，模拟宇 宙初开“大爆炸”后的情况 科学家希望借这次实验 ，有助解开宇宙间部分谜 团但有人担心，今次实 验或会制造小型黑洞吞噬 地球，令末日论流言四起 。

I B d h 霍尔效应 I=neSv=nedhv eU/h=evB U=IB/ned=kIB/dk是霍尔系数 。