第三章磁场第六节带电粒子在匀强磁场中的运动 复习 ：问题1：什么是洛伦兹力？问题1：带电粒子在磁场中是否一定受到 洛伦兹力？-磁场对运动电荷的作用力-不一定，洛伦兹力的计算式F洛=qVBsin 讨论 ：若带电粒子（不计重力）以沿着与匀强磁场垂直 的方向射入磁场，粒子将如何运动？2、洛伦兹力的方向总是与速度方向垂直，洛 伦兹力只会改变粒子速度的方向，不会改变 其大小。 1、由于是匀强磁场，洛伦兹力大小保持不变猜想与假设V V- -F洛 V V- -F洛V V- -F洛V V- -F洛讨论 ：若带电粒子（不计重力）以沿着与匀强磁场垂直 的方向射入磁场，粒子将如何运动？2、洛伦兹力的方向总是与速度方向垂直，洛 伦兹力只会改变粒子速度的方向，不会改变 其大小。 1、由于是匀强磁场，洛伦兹力大小保持不变3、该带点粒子将会做匀速圆周运动，洛伦兹 力提供向心力。 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 ：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加速电场：作用是改变电子束出射的速度无磁场实验验证有磁场实验现象：1.不加磁场时电子的径迹是直线;2.加上匀强磁场时，电子的径迹变弯曲成圆形；3.磁场越强，径迹的半径越小；4.电子的出射速度越大，径迹的半径越大。一、带电粒子运动轨迹 1、圆周运动的半径2、圆周运动的周期总结：由1式可知，粒子速度越大，轨迹半径 越大；磁场越强，轨迹半径越小。由2式可知，粒子运动的周期与粒子的 速度大小无关，磁场越强，周期越短。带电粒子在气泡室运动径迹的照片（1）不同带电粒子的径迹半径为何不同？（2）同一径迹上为什么曲率半径越来越小？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 例2、如图所示，在垂直纸面向里的匀强磁场中，有a、b 两个电子从同一处沿垂直磁感线方向开始运动，a的初速度为 v，b的初速度为2v则 Aa先回到出发点 Bb先回到出发点 Ca、b的轨迹是一对内切圆，且b的半径大 Da、b的轨迹是一对外切圆，且b的半径大 ab例3、一带电粒子在磁感强度为B的匀强磁场中做匀速 圆周运动，如它又顺利进入另一磁感强度为2B的匀强磁场 中仍做匀速圆周运动，则A、粒子的速率加倍，周期减半 B、粒子的速率不变，轨道半径减半C、粒子的速率减半，轨道半径变为原来的 1/4D、粒子速率不变，周期减半例4： 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。可见半径不同 意味着比荷不同， 意味着它们是不同 的粒子应用：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.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 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 =Ek 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， Ek=q（U1+U2+U3+U4+Un）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级加速原理：2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+- +-D Dv v= =？U UB 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DDv v= =？U UB 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。1. 在磁场中做圆周运动,周期不变2. 每一个周期加速两次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,可忽略结论7.粒子获得的最大动 能只与加速器的半 径R和磁感应强度B 有关，与加速电压U 无关。例3：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例4：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，运动方向偏转角试求粒子在磁场中 运动的时间t三、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的时间四、带电粒子在磁场中运动情况研究 1、找圆心：方法 2、定半径： 3、确定运动时间：注意：用弧度表示几何法求半径向心力公式求半径利用vR利用弦的中垂线301.圆心在哪里?2.轨迹半径是多少?OBdv例3：r=d/sin 30o =2d r=mv/qBt=（ 30o /360o）T= T/12 T=2 m/qBT=2 r/v小结：rt/T= 30o /360oA=30vqvB=mv2/rt=T/12= m/6qB3、偏转角=圆心角1、两洛伦兹兹力的交点即圆心2、偏转角：初末速度的夹角。4.穿透磁场的时间如何求？3、圆心角 =? t=T/12= d/3vm=qBr/v=2qdB/vf f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、900、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。例：有界磁场中粒子运动轨迹的确定入射角300时入射角1500时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。1、两个对称规律：五、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v5BqL/4m C使粒子的速度vBqL/m D使粒子速度BqL/4mv5BqL/4m 例题讲解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 。