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第三讲 带电粒子在复合场中的运动.doc

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鄂尔多斯市二中 高三一轮复习物理教案 王付胜第十一章 磁场 第三讲 带电粒子在复合场中的运动 20100112 1第三讲 带电粒子在复合场中的运动教学目标:掌握带电粒子在复合场中的运动问题,学会该类问题的一般分析方法教学重点:带电粒子在复合场中的运动教学难点:带电粒子在复合场中的运动教学过程:一、带电粒子在混合场中的运动1.速度选择器正交的匀强磁场和匀强电场组成速度选择器。带电粒子必须以唯一确定的速度(包括大小、方向)才能匀速(或者说沿直线)通过速度选择器。否则将发生偏转。这个速度的大小可以由洛伦兹力和电场力的平衡得出:qvB=Eq , 。在本图中,速度方向必须向右。BEv(1)这个结论与离子带何种电荷、电荷多少都无关。(2)若速度小于这一速度,电场力将大于洛伦兹力,带电粒子向电场力方向偏转,电场力做正功,动能将增大,洛伦兹力也将增大,粒子的轨迹既不是抛物线,也不是圆,而是一条复杂曲线;若大于这一速度,将向洛伦兹力方向偏转,电场力将做负功,动能将减小,洛伦兹力也将减小,轨迹是一条复杂曲线。【例 1】 某带电粒子从图中速度选择器左端由中点 O 以速度 v0向右射去,从右端中心 a 下方的 b 点以速度 v1 射出;若增大磁感应强度 B,该粒子将打到 a 点上方的 c 点,且有 ac=ab,则该粒子带___电;第二次射出时的速度为_____。解:B 增大后向上偏,说明洛伦兹力向上,所以为带正电。由于洛伦兹力总不做功,所以两次都是只有电场力做功,第一次为正功,第二次为负功,但功的绝对值相同。 21022021,1vmvvmabco v0+ + + + + + +- - - - ― ― ―v鄂尔多斯市二中 高三一轮复习物理教案 王付胜第十一章 磁场 第三讲 带电粒子在复合场中的运动 20100112 2【例 2】 如图所示,一个带电粒子两次以同样的垂直于场线的初速度 v0 分别穿越匀强电场区和匀强磁场区, 场区的宽度均为 L 偏转角度均为 α ,求 E∶B解:分别利用带电粒子的偏角公式。在电场中偏转:,在磁场中偏转: ,由以上20tanmvEqL0sinmvBq两式可得 。可以证明:当偏转角相同时,侧移必cosB然不同(电场中侧移较大) ;当侧移相同时,偏转角必然不同(磁场中偏转角较大) 。2.回旋加速器回旋加速器是高考考查的的重点内容之一,但很多同学往往对这类问题似是而非,认识不深,甚至束手无策、 ,因此在学习过程中,尤其是高三复习过程中应引起重视。(1)有关物理学史知识和回旋加速器的基本结构和原理1932 年美国物理学家应用了带电粒子在磁场中运动的特点发明了回旋加速器,其原理如图所示。A 0 处带正电的粒子源发出带正电的粒子以速度 v0 垂直进入匀强磁场,在磁场中匀速转动半个周期,到达 A1 时,在 A1 A1/处造成向上的电场,粒子被加速,速率由 v0 增加到 v1,然后粒子以 v1 在磁场中匀速转动半个周期,到达 A2/时,在 A2/ A2 处造成向下的电场,粒子又一次被加速,速率由 v1 增加到 v2,如此继续下去,每当粒子经过 A A/的交界面时都是它被加速,从而速度不断地增加。带电粒子在磁场中作匀速圆周运动的周期为 ,qBTm2为达到不断加速的目的,只要在 A A/上加上周期也为 T 的交变电压就可以了。即 T 电 = qBm2实际应用中,回旋加速是用两个 D 形金属盒做外壳,两个 D 形金属盒分别充当交流电源的两极,同时金属盒对带电粒子可起到静电屏蔽作用,金属盒可以屏蔽外界电场,盒内电场很弱,这样才能保证粒子在盒内只受磁场力作用而做匀速圆周运动。鄂尔多斯市二中 高三一轮复习物理教案 王付胜第十一章 磁场 第三讲 带电粒子在复合场中的运动 20100112 3(2)带电粒子在 D 形金属盒内运动的轨道半径是不等距分布的设粒子的质量为 m,电荷量为 q,两 D 形金属盒间的加速电压为 U,匀强磁场的磁感应强度为 B,粒子第一次进入 D 形金属盒Ⅱ,被电场加速 1 次,以后每次进入 D 形金属盒Ⅱ都要被电场加速 2 次。粒子第 n 次进入 D 形金属盒Ⅱ时,已经被加速(2n-1 )次。由动能定理得(2n-1)qU= Mvn2。 ……①21第 n 次进入 D 形金属盒Ⅱ后,由牛顿第二定律得 qvnB=m …… ②rv2由①②两式得 r n= ……③qBUm)12(同理可得第 n+1 次进入 D 形金属盒Ⅱ时的轨道半径 rn+1= ……④qBUnm)12(所以带电粒子在 D 形金属盒内任意两个相邻的圆形轨道半径之比为 ,121nrn可见带电粒子在 D 形金属盒内运动时,轨道是不等距分布的,越靠近 D 形金属盒的边缘,相邻两轨道的间距越小。(3)带电粒子在回旋加速器内运动,决定其最终能量的因素由于 D 形金属盒的大小一定,所以不管粒子的大小及带电量如何,粒子最终从加速器内设出时应具有相同的旋转半径。由牛顿第二定律得 qvnB=m ……①rv2和动量大小存在定量关系 m vn= …… ②knE2由①②两式得 Ek n= ……③rBqn2可见,粒子获得的能量与回旋加速器的直径有关,直径越大,粒子获得的能量就越大。鄂尔多斯市二中 高三一轮复习物理教案 王付胜第十一章 磁场 第三讲 带电粒子在复合场中的运动 20100112 4【例 3】一个回旋加速器,当外加电场的频率一定时,可以把质子的速率加速到 v,质子所能获得的能量为 E,则:①这一回旋加速器能把 α 粒子加速到多大的速度?②这一回旋加速器能把 α 粒子加速到多大的能量?③这一回旋加速器加速 α 粒子的磁感应强度跟加速质子的磁感应强度之比为?解:①由 qvnB=m 得 vn= 由周期公式 T 电 = 得知,在外加电场的r2qrqBm2频率一定时, 为定值,结合④式得 =v。q②由③式 Ek n= 及 为定值得,在题设条件下,粒子最终获得动能与粒子质mrBn2q量成正比。所以 α 粒子获得的能量为 4E。③由周期公式 T 电 = 得 =2∶1。qBqH(4)决定带电粒子在回旋加速器内运动时间长短的因素带电粒子在回旋加速器内运动时间长短,与带电粒子做匀速圆周运动的周期有关,同时还与带电粒在磁场中转动的圈数有关。设带电粒子在磁场中转动的圈数为 n ,加速电压为 U。因每加速一次粒子获得能量为 qU,每圈有两次加速。结合 Ek n= 知,2nqU =mrBq,因此 n= 。所以带电粒子在回旋加速器内运动时间 t =nT= .mrBqn2UrqBn42 Un42= 。qn2鄂尔多斯市二中 高三一轮复习物理教案 王付胜第十一章 磁场 第三讲 带电粒子在复合场中的运动 20100112 53.带电微粒在重力、电场力、磁场力共同作用下的运动(1)带电微粒在三个场共同作用下做匀速圆周运动。必然是电场力和重力平衡,而洛伦兹力充当向心力。【例 4】 一个带电微粒在图示的正交匀强电场和匀强磁场中在竖直面内做匀速圆周运动。则该带电微粒必然带_____,旋转方向为_____。若已知圆半径为 r,电场强度为 E 磁感应强度为 B,则线速度为_____。解:因为必须有电场力与重力平衡,所以必为负电;由左手定则得逆时针转动;再由 BrgvqmgE得和(2)与力学紧密结合的综合题,要认真分析受力情况和运动情况(包括速度和加速度)。必要时加以讨论。【例 5】质量为 m 带电量为 q 的小球套在竖直放置的绝缘杆上,球与杆间的动摩擦因数为 μ 。匀强电场和匀强磁场的方向如图所示,电场强度为 E,磁感应强度为 B。小球由静止释放后沿杆下滑。设杆足够长,电场和磁场也足够大, 求运动过程中小球的最大加速度和最大速度。解:不妨假设设小球带正电(带负电时电场力和洛伦兹力都将反向,结论相同) 。刚释放时小球受重力、电场力、弹力、摩擦力作用,向下加速;开始运动后又受到洛伦兹力作用,弹力、摩擦力开始减小;当洛伦兹力等于电场力时加速度最大为 g。随着 v 的增大,洛伦兹力大于电场力,弹力方向变为向右,且不断增大,摩擦力随着增大,加速度减小,当摩擦力和重力大小相等时,小球速度达到最大。BEqmv若将磁场的方向反向,而其他因素都不变,则开始运动后洛伦兹力向右,弹力、摩擦力不断增大,加速度减小。所以开始的加速度最大为 ;摩擦力等于重力时速度mEqga最大,为 。BEqmgv二、综合例析EqmgNv afvmqvB Eq N fmgE B鄂尔多斯市二中 高三一轮复习物理教案 王付胜第十一章 磁场 第三讲 带电粒子在复合场中的运动 20100112 6【例 6】如图所示,空间分布着有理想边界的匀强电场和匀强磁场。左侧匀强电场的场强大小为 E、方向水平向右,电场宽度为 L;中间区域匀强磁场的磁感应强度大小为 B,方向垂直纸面向里。一个质量为 m、电量为 q、不计重力的带正电的粒子从电场的左边缘的 O点由静止开始运动,穿过中间磁场区域进入右侧磁场区域后,又回到 O 点,然后重复上述运动过程。求:(1)中间磁场区域的宽度 d; (2)带电粒子从 O 点开始运动到第一次回到 O 点所用时间 t.解析:(1)带电粒子在电场中加速,由动能定理,可得: 2mvqEL带电粒子在磁场中偏转,由牛顿第二定律,可得:由以上两式,可得 。RVBq2qmELBR21可见在两磁场区粒子运动半径相同,如图 13 所示,三段圆弧的圆心组成的三角形ΔO1O2O3 是等边三角形,其边长为 2R。所以中间磁场区域的宽度为qmELBRd610sin(2)在电场中 ,Vat221在中间磁场中运动时间 qBmTt32在右侧磁场中运动时间 ,t563鄂尔多斯市二中 高三一轮复习物理教案 王付胜第十一章 磁场 第三讲 带电粒子在复合场中的运动 20100112 7则粒子第一次回到 O 点的所用时间为 。qBmELtt 372321 【思考】如图所示,两个共轴的圆筒形金属电极,外电极接地,其上均匀分布着平行于轴线的四条狭缝 a、b、c 和 d,外筒的外半径为 r,在圆筒之外的足够大区域中有平行于轴线方向的均匀磁场,磁感强度的大小为 B。在两极间加上电压,使两圆筒之间的区域内有沿半径向外的电场。一质量为 m 、带电量为+q 的粒子,从紧靠内筒且正对狭缝 a 的 S 点出发,初速为零。如果该粒子经过一段时间的运动之后恰好又回到出发点 S,则两电极之间的电压 U 应是多少?(不计重力,整个装置在真空中)解析:如图所示,带电粒子从 S 点出发,在两筒之间的电场作用下加速,沿径向穿过狭缝 a 而进入磁场区,在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动。粒子再回到 S 点的条件是能沿径向穿过狭缝 d.只要穿过了 d,粒子就会在电场力作用下先减速,再反向加速,经 d 重新进入磁场区,然后粒子以同样方式经过 c、b,再回到 S 点。设粒子进入磁场区的速度大小为 V,根据动能定理,有21mvqU设粒子做匀速圆周运动的半径为 R,由洛伦兹力公式和牛顿第二定律,有 vmBq2由前面分析可知,要回到 S 点,粒子从 a 到 d 必经过 圆周,所以半径 R 必定等于筒43的外半径 r,即 R=r.由以上各式解得; .mqrBU2三、针对训练1.带电粒子垂直进入匀强电场或匀强磁场中时粒子将发生偏转,称这种电场为偏转电场,这种磁场为偏转磁场.下列说法错误的是(重力不计) ( C )A.欲把速度不同的同种带电粒子分开,既可采用偏转电场,也可采用偏转磁场鄂尔多斯市二中 高三一轮复习物理教案 王付胜第十一章 磁场 第三讲 带电粒子在复合场中的运动 20100112 8B.欲把动能相同的质子和 α 粒子分开,只能采用偏转电场C.欲把由静止经同一电场加速的质子和 α 粒子分开,偏转电场和偏转磁场均可采用D.欲把初速度相同而比荷不同的带电粒子分开,偏转电场和偏转磁场均可采用2.目前,世界上正在研究一种新型发电机叫磁流体发电机.如图所示,表示了它的原理:将一束等离子体喷射入磁场,在场中有两块金属板 A、B,这时金属板上就会聚集电荷,产生电压.如果射入的等离子体速度均为 v,两金属板的板长为 L,板间距离为 d,板平面的面积为 S,匀强磁场的磁感应强度为 B,方向垂直于速度方向,负载电阻为 R,电离气体充满两板间的空间.当发电机稳定发电时,电流表示数为 I.那么板间电离气体的电阻率为 (A )A. B.)(RIBdvS)(RILvdSC. D.LB3.如图所示,水平虚线上方有场强为 E1 的匀强电场,方向竖直向下,虚线下方有场强为 E2 的匀强电场,方向水平向右;在虚线上、下方均有磁感应强度相同的匀强磁场,方向垂直纸面向外,ab 是一长为 L 的绝缘细杆,竖直位于虚线上方,b 端恰在虚线上,将一套在杆上的带电小环从 a 端由静止开始释放,小环先加速而后匀速到达 b 端,环与杆之间的动摩擦因数μ=0.3,小环的重力不计,当环脱离杆后在虚线下方沿原方向做匀速直线运动,求:(1)E 1 与 E2 的比值;(2)若撤去虚线下方的电场,小环进入虚线下方后的运动轨迹为半圆,圆周半径为 ,3L环从 a 到 b 的过程中克服摩擦力做功 Wf 与电场做功 WE 之比有多大?解析:(1)在虚线上方,球受电场力、磁场力、摩擦力作用,环最后做匀速运动,摩鄂尔多斯市二中 高三一轮复习物理教案 王付胜第十一章 磁场 第三讲 带电粒子在复合场中的运动 20100112 9擦力与电场力平衡 f=μ N=μ Bqv=fE=qE1 ①在虚线下方环仍作做速运动,此时电场力与磁场力平衡 Bvq=qE 2 ②联立以上两式得 =μ =0.3 ③21(2)在虚线上方电场力做功 EE=qE1L ④ 摩擦力做功 Wf=WE- mv2 ⑤1在虚线下方,撤去电场后小环做匀速圆周运动 Bvq= ⑥3/2Lmv①、⑥联立得 mv2= ⑦ ⑧161LqE 946112qELqEEf 4.串列加速器是用来产生高能离子的装置。图中虚线框内为其主体的原理示意图,其中加速管的中部 b 处有很高的正电势 U,a、c 两端均有电极接地(电势为零) .现将速度很低的负一价碳离子从 a 端输入,当离子到达 b 处时,可被设在 b 处的特殊装置将其电子剥离,成为 n 价正离子.而不改变其速度大小。这些正 n 价碳离子从 c 端飞出后进入一与其速度方向垂直的、磁感应强度为 B 的匀强磁场中,在磁场中做半径为 R 的圆周运动。已知碳离子的质量 m=2.0×10-26 kg,U =7.5×105 V,B=0.5 T,n =2,基元电荷 e=1.6×10-19 C,求 R.解析:设碳离子到达 b 处时的速度为 v1,从 c 端射出时的速度为 v2,由能量关系得mv12=eU ① mv22= mv12=neU ②鄂尔多斯市二中 高三一轮复习物理教案 王付胜第十一章 磁场 第三讲 带电粒子在复合场中的运动 20100112 10进入磁场后,碳离子做圆周运动, 可得 nev2B=m ③Rv由以上三式可得 R= ④ 由④式及题给数值可解得 R=0.75 m )1(21nUB5.如图所示,两块垂直纸面的平行金属板 A、 B 相距 d=10.0 cm,B 板的中央 M 处有一个 α 粒子源,可向各个方向射出速率相同的 α 粒子, α 粒子的荷质比 q/m=4.82×10 7 C/kg.为使所有 α 粒子都不能达到 A 板,可以在 A、 B 板间加一个电压,所加电压最小值是 U0=4.15×104 V;若撤去 A、 B 间的电压,仍使所有 α 粒子都不能到达 A 板,可以在A、 B 间加一个垂直纸面的匀强磁场,该匀强磁场的磁感应强度 B 必须符合什么条件? 解析: 设速率为 v,在电场力作用下最容易到达 A 板的是速度方向垂直 B 板的 α 粒子由动能定理得: qU= mv21加磁场后,速率为 v 的 α 粒子的轨道半径为 d/2,只要轨迹与 AB 板都相切的 α 粒子打不到板即可.与此对应的磁感应强度就是 B 的最小值.因为:Bqv = 由上两式得:B= · =0.83 T2/dvmd4qmU20即磁感应强度 B 应满足 B≥0.83 T(2010 福建)20. (15 分)如图所示的装置,左半部为速度选择器,右半部为匀强的偏转电场。一束同位素离子流从狭缝 1S射入速度选择器,能够沿直线通过速度选择器并从狭缝 2S射出的离子,又沿着与电场垂直的方向,立即进入场强大小为 E的偏转电场,最后打在照相底片 D上。已知同位素离子的电荷量为鄂尔多斯市二中 高三一轮复习物理教案 王付胜第十一章 磁场 第三讲 带电粒子在复合场中的运动 20100112 11q( >0),速度选择器内部存在着相互垂直的场强大小为 0E的匀强电场和磁感应强度大小为 0B的匀强磁场,照相底片 D 与狭缝 1S、 2连线平行且距离为 L,忽略重力的影响。(1)求从狭缝 2S射出的离子速度 0V的大小;(2)若打在照相底片上的离子在偏转电场中沿速度 0方向飞行的距离为 x,求出 与离子质量 m之间的关系式(用 0E、 B、 、 q、 m、L 表示) 。【解析】(1)能从速度选择器射出的的离子满足: 0v解得: 0EvB(2)离子进入匀强偏转电场 后做类平跑运动,则0xt,2aL,由牛顿第二定律得 maqE,解得: 2Lx0B。
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