名师课堂辅导讲座—高中部分带电粒子在复合场中的运动幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,带电粒子在复合场中的运动,课堂辅导讲座,高中部分,复习目标：,1,、掌握带电粒子（带电体）在复合场中的受力情况，能准确地分析带电粒子（带电体）的运动状态及其变化过程。,3,、理解速度选择器，质谱仪、回旋加速器、磁流体发电机的构造和工作原理，能熟练解答相关问题。,2,、能熟练运用动力学观点，动量观点以及能量观点来分析和解决带电粒子（或带电体）在复合场中运动的有关问题。,2,基本知识回顾：,1,、速度选择器,构造如图所示：,3,特点：,（,1,）任何一个存在正交电场和磁场的空间都可看作速度选择器。,（,2,）速度选择器只选择速度大小而不选择粒子的种类。既只要 ，粒子就能沿直线匀速通过选择器，而与粒子的电性、电量、质量无关。（不计重力）,V=,E,B,4,（,3,）对某一确定的速度选择器，在如图所示速度选择器，入口在左端，出口在右端，若带电粒子从右端射入时，由于洛仑兹力和电场力同向，粒子必发生偏转。,5,2,、质谱仪,构造如图所示：,质谱仪由速度选择器和,MN,板右侧的偏转分离磁场两部分组成。图示质谱仪在先对离子束进行速度选后，,相同速率的不同离子在右侧的偏转磁场中,B,做匀速圆周运动，不同荷质比的离子轨道半径不同，将落在,MN,板的不同位置，由此可以用来测定带电粒子的质量和分析同位素。,q,6,3,、回旋加速器,回旋加速器是利用带电粒子在电场中的加速和带电粒子 在磁场中做圆周运动特点，使带电粒,子在磁场中改变运动方向，然后，匀速进入电场中加速，使带电粒子在回旋过程中逐渐加速。,0,1,1,1,3,3,3,5,5,5,0,2,2,2,4,4,4,f,7,（,1,）带电粒子在回旋加速器,D,形盒之间被加速，在磁场中做相应轨道半径的圆周运动。,（,2,）加速条件：交变电压的周期和粒子做圆周运动的周期相等。,0,1,1,1,3,3,3,5,5,5,0,2,2,2,4,4,4,f,8,4,、磁流体发电机,如图是磁流体发电机，其原理是：等离子气体喷入磁场，正、负离子在洛仑兹力作用下发生偏转而聚集到,A,、,B,板上，产,生电势差，设,A,、,B,平行金属板的面积为,S,，相距,L,，等离子体的电阻率为,，喷入气体速度为,V,，板间磁场的磁感强度为,B,，板外电阻为,R,，当等离子气体匀速通过,A,、,B,板间时，,A,、,B,板上聚焦的电荷最多，板间电势差最大，即为电源电动势，此时离子受力平衡：,9,E,场,q=BqV，E,场,=BV,电动势E=E,场,L=BLV,L,S,电源内电阻,r=,R,中电流,I=,E,R,r,=,BLV,R,L,S,BLVS,RS,L,=,10,例,1,如图所示，套在很长的绝缘直棒上的小球，其质量为,m,，带电量为,q,，小球可在棒上滑动，将此棒竖直放在互相垂直，且沿水平方向的匀强电场和匀强磁场中，电场强度为,E,，磁感应强度为,B,，小球与棒的动摩擦因数为,，求小球由静止沿棒下落的最大加速度和最大速度？（设小球电量不变）,E,B,mg,f,BqV,Eq,N,E,B,11,mg,f,BqV,Eq,N,E,B,由牛顿第二定律得,竖直方向：,mg-f=ma,水平方向：,N=Eq,BqV,f=N,a=,mg-,（,qE,qVB,）,m,当V=0时，a,最大,=,mg-qE,m,=g-,qE,m,当a=0时，V,最大,=,mg,qB,-,E,B,12,总结：,带电物体在复合场中做变速直线运动时，带电物体所受的洛仑兹力的大小不断变化，而洛仑兹力的变化往往引起其他力的变化，从而导致加速度不断变化。,（,2,）只将电场（或磁场）反向，而强弱不变，小球的最大加速度和最终速度又将怎样？,思考：,（,1,）若小球带电量为,-q,时，其下落的最大速度和最大加速度又什么？,13,例,2,如图所示，质量为,0.04g,的带有正电荷,q,为,10,-4,C,的小球用长度为,0.2m,的丝线悬挂在匀强磁场中，磁感应强度,B,为,0.5T,，方向指向纸内，小球在磁场内做摆动，当它到达最高点,A,时，丝线偏离竖直方向,30,角，试问：,（,1,）小球在,A,点时受到哪几个力的作用？,A,C,D,解析：小球在,A,点时受到两个力作用，即重力,mg,和丝线拉力,T,。,14,（,2,）小球向右经过最低点,C,时，丝线受力的大小和方向如何？,解：小球从,A,点运动到,C,点时，受到的力有重力,mg,、丝线拉力,T,、洛仑兹力,f,，其合力为向心力，即,T,f-mg=,mv,2,L,代入数据得,:T=4.710,-4,(N),V=,2gL,（,1-cos),上式中速度,V,可由机械能守恒定律解得,mv,2,L,T=,mg-BqV,则,:,A,C,D,mg,T,f,15,（,3,）小球向左经过最低点,C,时，丝线受力的大小和方向如何？,解,:,小球从,D,点运动到,C,点时速度与从,A,点运动到,C,点时大小相同，此时，小球受到的力有重力,mg,、绳子拉力,T,，洛仑兹力,f,，其合力为向心力，则,mv,2,L,T-f-mg=,代入数据得,T=5.410,-4,（,N,）,mv,2,L,T =,mg,BqV,即,A,C,D,mg,f,T,16,练习,1,：一 如图所示虚线所围的区域内，存在电场强度为,E,的匀强电场和磁感应强度为,B,的匀强磁场，已知从左方水平射入的电子，穿过这区域时未发生偏转，设重力忽略不计，则在这个区域中的,E,和,B,的方向可能是（）,A,、,E,和,B,都沿水平方向，并与电子运动方向相同,B,、,E,和,B,都沿水平方向，并与电子运动方向相反,e,E,B,C,、,E,竖直向上,B,垂直纸面向外,D,、,E,竖直向上,B,垂直纸面向里,ABC,17,练习,2,：设空间存在着竖直向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场，如图所示，已知一离子在电场力和洛仑兹力的作用下，从静止开始自,a,点沿曲线,acb,运动，到达,b,时速度恰为零，,c,点是运动轨迹的最低点，不计重力，以下说法错误的是（）,A,、离子必带正电荷,B,、,a,点和,b,点位于同一高度,C,、离子经,c,点时速度最大,D,、离子到,b,点后，将沿原路返回,a,点,-,-,-,-,18,-,-,-,-,Eq,f,练习,2,：设空间存在着竖直向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场，如图所示，已知一离子在电场力和洛仑兹力的作用下，从静止开始自,a,点沿曲线,acb,运动，到达,b,时速度恰为零，,c,点是运动轨迹的最低点，不计重力，以下说法错误的是（）,A,、离子必带正电荷,B,、,a,点和,b,点位于同一高度,C,、离子经,c,点时速度最大,D,、离子到,b,点后，将沿原路返回,a,点,D,19,练习,3,：场强为,E,的匀强电场和磁感强度为,B,的匀强磁场正交，如图所示，一质量为,m,的带电粒子，在垂直于磁场方向的平面内做半径为,R,的匀速圆周运动，设重力加速度为,g，,则下列说法正确的是（）,B,、粒子顺时针方向转动,D,、粒子的机械能守恒,A,、粒子带负电，且,q=,mg,E,C,、粒子速度大小为,V=,BRg,E,E,B,20,E,B,mg,Eq,-,BqV,v,粒子做匀速圆周运动，受力分析如图所示：所以粒子必需带负电。,mg=Eq q=,mg,E,由于粒子做匀速圆周运动，则有,f=BqV=m,V,2,R,V=,BRg,E,除重力做功之外，还有电场力做功，因此粒子的机械能不守恒。,21,练习,3,：场强为,E,的匀强电场和磁感强度为,B,的匀强磁场正交，如图所示，一质量为,m,的带电粒子，在垂直于磁场方向的平面内做半径为,R,的匀速圆周运动，设重力加速度为,g，,则下列说法正确的是（）,B,、粒子顺时针方向转动,D,、粒子的机械能守恒,A,、粒子带负电，且,q=,mg,E,C,、粒子速度大小为,V=,BRg,E,E,B,ABC,22,练习,4,：有一束正粒子，先后通过区域,和,，区域,中有相互垂直的匀强电场和匀强磁场，如图所示，如果这束正离子（不计重力）通过区域,时，不发生偏转，则说明它们的,是相同的，若进入区域,后，这束正离子的轨迹也是相同，则说明它们的,相同。,速度,荷质比,Eq=qVBV=,E,B,又,R=,mv,Bq,荷质比相同,23,练习,5,：如图所示，在,x,轴上方有匀强磁场，磁感强度为,B,，下方有场强为,E,的匀强电场，有一质量为,m,，带电量,q,为的粒子，从坐标,0,沿着,y,轴正方向射出。射出之后，第,3,次到达,x,轴时，它与点,0,的距离为,L,。求此粒子射出时的速度和运动的总路程,S,（重力不计）,B,E,x,y,0,解析：粒子在磁场中的运动为匀速圆周运动，在电场中的运动为匀变速直线运动。画出粒子运动的过程如图所示：,24,L,R,y,由图可知粒子在磁场中运动半个周期后第一次通过,x,轴进入电场，做匀减速,运动至速度为零，再反向做匀加速直线运动，以原来的速度大小反方向进入磁场。这就是第二次进入磁场，接着粒子在磁场中做圆周运动，半个周期后第三次通过,x,轴。,25,L,R,y,由图可知,R=,4,L,在磁场中：f,洛,=,f,向,BqV=,mv,2,R,即,所以,V=,BqR,m,=,BqL,4m,26,L,R,y,粒子在电场中每一次的最大位移设为,y,，,第,3,次到达轴时，粒子运动的总路程为一个周期和两个位移的长度之和：,由动能定理,Eqy=mv,2,1,2,y=,mv,2,2Eq,=,（,BqL/4m,）,2,m,2Eq,得,S=2R,2y=,L,2,qB,2,L,2,16mE,27,下课,28,