第三章磁場(chǎng),第六節(jié)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),復(fù)習(xí)：,問題1：什么是洛倫茲力？,問題1：帶電粒子在磁場(chǎng)中是否一定受到洛倫茲力？,-磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力,-不一定，洛倫茲力的計(jì)算式F洛=qVBsin,討論：,若帶電粒子（不計(jì)重力）以沿著與勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直的方向射入磁場(chǎng)，粒子將如何運(yùn)動(dòng)？,2、洛倫茲力的方向總是與速度方向垂直，洛倫茲力只會(huì)改變粒子速度的方向，不會(huì)改變其大小。,1、由于是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，洛倫茲力大小保持不變,猜想與假設(shè),討論：,若帶電粒子（不計(jì)重力）以沿著與勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直的方向射入磁場(chǎng)，粒子將如何運(yùn)動(dòng)？,2、洛倫茲力的方向總是與速度方向垂直，洛倫茲力只會(huì)改變粒子速度的方向，不會(huì)改變其大小。,1、由于是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，洛倫茲力大小保持不變,3、該帶點(diǎn)粒子將會(huì)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力。,洛倫茲力演示器,實(shí)驗(yàn)：,勵(lì)磁線圈：作用是能在兩線圈之間產(chǎn)生平行于兩線圈中心的連線的勻強(qiáng)磁場(chǎng),加速電場(chǎng)：作用是改變電子束出射的速度,無磁場(chǎng),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,有磁場(chǎng),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：,1.不加磁場(chǎng)時(shí)電子的徑跡是直線;2.加上勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，電子的徑跡變彎曲成圓形；3.磁場(chǎng)越強(qiáng)，徑跡的半徑越??；4.電子的出射速度越大，徑跡的半徑越大。,一、帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡,1、圓周運(yùn)動(dòng)的半徑,2、圓周運(yùn)動(dòng)的周期,總結(jié)：由1式可知，粒子速度越大，軌跡半徑越大；磁場(chǎng)越強(qiáng)，軌跡半徑越小。由2式可知，粒子運(yùn)動(dòng)的周期與粒子的速度大小無關(guān)，磁場(chǎng)越強(qiáng)，周期越短。,帶電粒子在氣泡室運(yùn)動(dòng)徑跡的照片,（1）不同帶電粒子的徑跡半徑為何不同？,（2）同一徑跡上為什么曲率半徑越來越小？,例1：一個(gè)帶電粒子，沿垂直于磁場(chǎng)的方向射入一勻強(qiáng)磁場(chǎng)粒子的一段徑跡如下圖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(帶電量不變)從圖中情況可以確定,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,例2、如圖所示，在垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有a、b兩個(gè)電子從同一處沿垂直磁感線方向開始運(yùn)動(dòng)，a的初速度為v，b的初速度為2v則Aa先回到出發(fā)點(diǎn)Bb先回到出發(fā)點(diǎn)Ca、b的軌跡是一對(duì)內(nèi)切圓，且b的半徑大Da、b的軌跡是一對(duì)外切圓，且b的半徑大,例3、一帶電粒子在磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如它又順利進(jìn)入另一磁感強(qiáng)度為2B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中仍做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則A、粒子的速率加倍，周期減半B、粒子的速率不變，軌道半徑減半C、粒子的速率減半，軌道半徑變?yōu)樵瓉淼?/4D、粒子速率不變，周期減半,例4：一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子，從容器下方的小孔S1飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng)，其初速度幾乎為零，然后經(jīng)過S3沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打到照相底片D上。（1）求粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率。（2）求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。,可見半徑不同意味著比荷不同，意味著它們是不同的粒子,應(yīng)用：,質(zhì)譜儀,通過測(cè)出粒子圓周運(yùn)動(dòng)的半徑，計(jì)算粒子的比荷或質(zhì)量及分析同位素的儀器.,二、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)周期,帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)周期有何特征？,可見同一個(gè)粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期與速度無關(guān),回旋加速器就是根據(jù)這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)的,1加速原理：利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正功使帶電粒子的動(dòng)能增加。,二.加速器,直線加速器,2直線加速器（多級(jí)加速）如圖所示是多級(jí)加速裝置的原理圖：,二.加速器,直線加速器,斯坦福大學(xué)的加速器,多級(jí)直線加速器有什么缺點(diǎn)？,直線加速器,利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正功,使帶電的粒子動(dòng)能增加，即qU=Ek,直線加速器的多級(jí)加速：,教材圖3.6-5所示的是多級(jí)加速裝置的原理圖，由動(dòng)能定理可知，帶電粒子經(jīng)n級(jí)的電場(chǎng)加速后增加的動(dòng)能，,Ek=q（U1+U2+U3+U4+Un）,直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。,加速原理：,2回旋加速器,1932年,美國(guó)物理學(xué)家勞侖斯發(fā)明了回旋加速器，從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進(jìn)了一大步為此，勞侖斯榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),回旋加速器,回旋加速器,1、作用：產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)的粒子,2、原理,用磁場(chǎng)控制軌道、用電場(chǎng)進(jìn)行加速,解：當(dāng)粒子從D形盒出口飛出時(shí)，粒子的運(yùn)動(dòng)半徑=D形盒的半徑,回旋加速器,回旋加速器,問題6：D越大，EK越大，是不是只要D不斷增大，EK就可以無限制增大呢?,回旋加速器,美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室加速器,回旋加速器,兩D形盒中有勻強(qiáng)磁場(chǎng)無電場(chǎng)，盒間縫隙有交變電場(chǎng)。,電場(chǎng)使粒子加速，磁場(chǎng)使粒子回旋。,粒子回旋的周期不隨半徑改變。讓電場(chǎng)方向變化的周期與粒子回旋的周期一致，從而保證粒子始終被加速。,在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng),周期不變每一個(gè)周期加速兩次電場(chǎng)的周期與粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)周期相同電場(chǎng)一個(gè)周期中方向變化兩次粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定電場(chǎng)加速過程中,時(shí)間極短,可忽略,結(jié)論,7.粒子獲得的最大動(dòng)能只與加速器的半徑R和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，與加速電壓U無關(guān)。,例3：關(guān)于回旋加速器的工作原理，下列說法正確的是：,例4：垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)僅限于寬度為d的條形區(qū)域內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B一個(gè)質(zhì)量為m、電量為q的粒子以一定的速度垂直于磁場(chǎng)邊界方向從點(diǎn)垂直飛入磁場(chǎng)區(qū)，如圖所示，當(dāng)它飛離磁場(chǎng)區(qū)時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)角試求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t,三、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間,四、帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)情況研究,1、找圓心：方法2、定半徑：3、確定運(yùn)動(dòng)時(shí)間：,注意：用弧度表示,30,1.圓心在哪里?2.軌跡半徑是多少?,思考,O,B,v,例3：,r=d/sin30o=2d,r=mv/qB,t=（30o/360o）T=T/12,T=2m/qB,T=2r/v,小結(jié)：,r,t/T=30o/360o,A,=30,v,qvB=mv2/r,t=T/12=m/6qB,3、偏轉(zhuǎn)角=圓心角,1、兩洛倫茲力的交點(diǎn)即圓心,2、偏轉(zhuǎn)角：初末速度的夾角。,4.穿透磁場(chǎng)的時(shí)間如何求？,3、圓心角=?,f,f,如圖，虛線上方存在無窮大的磁場(chǎng)，一帶正電的粒子質(zhì)量m、電量q、若它以速度v沿與虛線成300、900、1500、1800角分別射入，請(qǐng)你作出上述幾種情況下粒子的軌跡、并求其在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。,例：有界磁場(chǎng)中粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的確定,入射角300時(shí),入射角1500時(shí),粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱規(guī)律：從同一直線邊界射入的粒子，從同一邊界射出時(shí)，速度與邊界的夾角相等。,1、兩個(gè)對(duì)稱規(guī)律：,五、臨界問題,例：長(zhǎng)為L(zhǎng)的水平極板間，有垂直紙面向內(nèi)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，如圖所示，磁感強(qiáng)度為B，板間距離也為L(zhǎng)，板不帶電，現(xiàn)有質(zhì)量為m，電量為q的帶正電粒子（不計(jì)重力），從左邊極板間中點(diǎn)處垂直磁感線以速度v水平射入磁場(chǎng)，欲使粒子不打在極板上，可采用的辦法是：（）A使粒子的速度v5BqL/4mC使粒子的速度v>BqL/mD使粒子速度BqL/4m<v<5BqL/4m,例題講解,北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)：撞出物質(zhì)奧秘,大科學(xué)裝置的存在和應(yīng)用水平，是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的具象。它如同一塊巨大的磁鐵，能夠集聚智慧，構(gòu)成一個(gè)多學(xué)科陣地。作為典型的大科學(xué)裝置，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的重大改造工程就是要再添磁力。,北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)在我國(guó)大科學(xué)裝置工程中赫赫有名，為示范之作。1988年10月16日凌晨實(shí)現(xiàn)第一次對(duì)撞時(shí)，曾被形容為“我國(guó)繼原子彈、氫彈爆炸成功、人造衛(wèi)星上天之后，在高科技領(lǐng)域又一重大突破性成就”。北京正負(fù)對(duì)撞機(jī)重大改造工程的實(shí)施，將讓這一大科學(xué)裝置“升級(jí)換代”，繼續(xù)立在國(guó)際高能物理的前端。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程完工后，將成為世界上最先進(jìn)的雙環(huán)對(duì)撞機(jī)之一。,世界上最大、能量最高的粒子加速器歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī),世界最大對(duì)撞機(jī)啟動(dòng)模擬宇宙大爆炸中國(guó)參與研究,這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在深入地底100米、長(zhǎng)達(dá)27公里的環(huán)型隧道內(nèi)進(jìn)行?？茖W(xué)家預(yù)計(jì)，粒子互相撞擊時(shí)所產(chǎn)生的溫度，比太陽(yáng)溫度還要高10萬倍，就好比137億年前宇宙發(fā)生大爆炸時(shí)那一剎那的情況。,在瑞士和法國(guó)邊界地區(qū)的地底實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，科學(xué)家們正式展開了被外界形容為“末日實(shí)驗(yàn)”的備受爭(zhēng)議的計(jì)劃。他們啟動(dòng)了全球最大型的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)，把次原子的粒子運(yùn)行速度加快至接近光速，并將互相撞擊，模擬宇宙初開“大爆炸”后的情況?？茖W(xué)家希望借這次實(shí)驗(yàn)，有助解開宇宙間部分謎團(tuán)。但有人擔(dān)心，今次實(shí)驗(yàn)或會(huì)制造小型黑洞吞噬地球，令末日論流言四起。,