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2019-2020年高中物理 帶電粒子在勻強磁場中的運動導學案新人教版選修3-1 【學習目標】 1．理解帶電粒子的初速度方向與磁感應強度的方向垂直時，帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動。 2．會推導帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑、周期公式，知道它們與哪些因素有關，并會應用它們解答有關問題。 3．知道質譜儀與回旋加速器的工作原理 【學習重點】 帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑和周期公式，并能用來分析有關問題。 【學習難點】 帶電粒子在勻強磁場中的受力分析及運動徑跡。 【問題導學】 目標一：帶電粒子在勻強磁場中的運動 1．帶電粒子平行射入勻強磁場中，將如何運動？ 2．帶電粒子垂直射入勻強磁場中，將如何運動？ （1）粒子所受磁場力與運動速度的特點： （2）粒子運動的特點： 3．帶電粒子與磁場方向有一夾角（0,90,180除外）射入勻強磁場中，將如何運動？ 目標二: 帶電粒子在勻強磁場中的勻速圓周運動的半徑 1．帶電粒子垂直射入勻強磁場做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力。 2．圓周運動的軌道半徑: 3．質譜儀: 通過測出粒子圓周運動的半徑，計算粒子的比荷或質量及分析同位素的儀器. 例1、一個質量為m、電荷量為q的粒子，從容器下方的 小孔S1飄入電勢差為U的加速電場，其初速度幾乎為零， 然后經過S3沿著與磁場垂直的方向進入磁感應強度為B 的勻強磁場中，最后打到照相底片D上。 （1）求粒子進入磁場時的速率。 （2）求粒子在磁場中運動的軌道半徑。 目標三: 帶電粒子在勻強磁場中的勻速圓周運動的周期 1．圓周運動的周期: 2．回旋加速器: （1）直線加速器 ①加速原理：利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電粒子的動能增加，qU=DEk． ②直線加速器，多級加速如圖所示是多級加速裝置的原理圖 ③困難：技術上不能產生過高電壓；加速設備長。 （2）回旋加速器： ①解決上述困難的一途徑是把加速電場“卷起來”，用磁場控制軌跡，用電場進行加速。 ②結構：兩個D形盒及兩個大磁極，D形盒間的窄縫，高頻交流電 ③原理： 電場使粒子加速，磁場使粒子回旋。 ④粒子被加速后，運動速率和運動半徑都會增加，它的運動周期會增加嗎? ⑤對D形盒窄縫間的交流電壓的周期有什么要求？ ⑥回旋加速器加速的帶電粒子的最終能量由哪些因素決定? 例2、關于回旋加速器的工作原理，下列說法正確的是：（ ） A、電場用來加速帶電粒子，磁場則使帶電粒子回旋 B、電場和磁場同時用來加速帶電粒子 C、同一加速器，對某種確定的粒子，它獲得的最大動能由加速電壓決定 D、為了是粒子不斷獲得加速，粒子圓周運動的周期等于交流電的半周期 基礎題（一看就懂，一做就會） 1.關于帶電粒子在磁場中的運動，下列說法正確的是（ ） A、帶電粒子飛入勻強磁場后，一定做勻速圓周運動 B、帶電粒子飛入勻強磁場后做勻速圓周運動時，速度一定不變 C、帶電粒子飛入勻強磁場后做勻速圓周運動時，洛侖茲力的方向總和運動方向垂直 D、帶電粒子飛入勻強磁場后做勻速圓周運動時，動能一定保持不變 2.質子和α粒子在同一勻強磁場中做半徑相同的圓周運動，由此可知，質子的動能E1和α粒子的動能E2之比E1：E2等于（ ） A、4：1 B、1：1 C、1：2 D、2：1 3. 帶電粒子以相同的速度分別垂直進入勻強電場和勻強磁場時，它將（ ） A、在勻強電場中做勻速圓周運動 B、在勻強磁場中做變加速曲線運動 C、在勻強電場中做拋物線運動 D、在勻強磁場中做拋物線運動 4. 在勻強磁場中，一個帶電粒子作勻速圓周運動，如果又順利垂直進入另一磁感應強度是原來磁感應強度2倍的勻強磁場，則（ ） A．粒子的速率加倍，周期減半 B．粒子的速率加倍，軌道半徑減半 C．粒子的速率減半，軌道半徑變?yōu)樵瓉淼?/4 D．粒子的速率不變，周期減半 5.如圖所示，在垂直紙面向里的勻強磁場中，有a、b兩個電子從同一處沿垂直磁感線方向開始運動，a的初速度為v，b的初速度為2v．則（ ）　 A．a先回到出發(fā)點 　　B．b先回到出發(fā)點 C．a、b的軌跡是一對內切圓，且b的半徑大 　 D．a、b的軌跡是一對外切圓，且b的半徑大 6.質譜儀是一種測定帶電粒子質量和分析同位素的重要工具，它的構造原理如圖，離子源S產生的各種不同正離子束(速度可看作為零)，經加速電場加速后垂直進入有界勻強磁場，到達記錄它的照相底片P上，設離子在P上的位置到入口處S1的距離為x，可以判斷（ ） A、若離子束是同位素，則x越大，離子質量越大 B、若離子束是同位素，則x越大，離子質量越小 C、只要x相同，則離子質量一定相同 D、只要x相同，則離子的荷質比一定相同 7. 回旋加速器中磁場的磁感應強度為B，D形盒的直徑為d，用該回旋加速器加速質量為m、電量為q的粒子，設粒子加速前的初速度為零。求： （1）粒子的回轉周期是多大？ （2）高頻電極的周期為多大？ （3）粒子的最大速度最大動能各是多大？ （4）粒子在同一個D形盒中相鄰兩條軌道半徑之比 達標題（跳起來，摘下豐收果） 8. 一個帶電粒子,沿垂直于磁場的方向射入一勻強磁場,粒 子的一段徑跡如圖所示,徑跡上的每小段都可以近似看成圓 弧,由于帶電粒子使沿途空氣電離,粒子的能量逐漸減小 (帶電荷量不變),從圖中情況可以確定（ ） A．粒子從a到b,帶正電 B．粒子從b到a,帶正電 C．粒子從a到b.帶負電 D．粒子從b到a,帶負電 9. 如圖所示，勻強磁場中有一個帶電量為q的正離子，自a點沿箭頭方向運動，當它沿圓軌道運動到b點時，突然吸收了附近的若干個電子，接著沿另一圓軌道運動到與a、b在一條直線上的c點，已知ac=ab/2.電子電量為e，由此可知，正離子吸收的電子個數為（ ） A． B． C． D． 10.如圖所示，一質量為m，電荷量為q的粒子從容器A下方小孔 S1飄入電勢差為U=800V的加速電場，然后經過S3沿著與磁場 垂直的方向進入磁感應強度為B=0.40T的勻強磁場中，最后打到 底片D上.測得粒子在磁場中運動的軌道半徑為r=5cm。求帶電粒 子的比荷是多少？ 11.一個帶負電粒子（質量為m，帶電量為q），以速率v在磁感應強度為B的勻強磁場中做逆時針圓周運動（沿著紙面），則該勻強磁場的方向為垂直于紙面向里還是向外？粒子運轉所形成的環(huán)形電流的大小為多大？ 拓展題（勇往直前，試一試） 12. 如圖所示，帶電粒子進入勻強磁場，垂直穿過均勻鋁板，如果R1=20cm，R2=19cm，求帶電粒子能穿過鋁板多少次。（設鋁板對粒子的阻力恒定，粒子的電量不變） 13. 有一回旋加速器，他的交變電壓的頻率為 12106Hz ，半圓形電極的半徑為0.532m。問加速氘核所需的磁感應強度為多大？氘核所能達到的最大動能為多大？其最大速率有多大？（已知氘核的質量為3.310-27kg,電荷量為1.6 10-19C）.