一、复习提问
1、
提问
提问
带电粒子垂直进入某一匀强磁场,其受力情况如何?运动轨
迹如何?
2、带电粒子在磁场中作匀速圆周运动,其轨道半径、周期分别
由什么来决定?
二、引入新课
带电粒子在磁场中的运动有哪些应用呢?若空间同时存在电场与
磁场,带电粒子的运动又会受到什么影响呢?
三、讲授新课
(一)、荷质比的测定、质谱仪
1、
板书
荷质比的概念:带电粒子的电荷与质量之比。它是带电粒子
的基本参量。
板书
2、确定荷质比的意义:
在电场和磁场中,带电粒子受到的力与电量成正比,得到的加速度
与粒子的质量成反比,因而粒子的运动情况依赖于粒子的荷质比。这样
,我们确定了粒子的荷质比,就可研究带电粒子在电场和磁场中的运动
情况;反之由粒子的运动情况也可求出粒子的荷质比。
多媒体展现
S1
A
S2
S3
A
D
U
B
3、测定荷质比的装置:
A:电离室
S1S2:加速电场
S2S3:速度选择器
B:匀强磁场
D:照相底片
多媒体摸拟动态过程并讲解、板书
1)、粒子进入电离室,电离成正负离子;
2)、正离子由孔飘出,从缝S1进入加速电场,设加速电场两极
板间的电势差是U,粒子所带的电量是q,粒子进入缝S1时速度很小,
几乎为零,由动能定理可知,粒子离开加速电场从孔S2出来所获得
的动能是mv2/2=qU----------------------------------(1)
3)、粒子以速度v由小孔S3进入匀强磁场作匀速圆周运动
,mv2/r=Bqv---------------------------------------(2)
由(1)和(2)式得:q/m=2U/B2r2
上式右方的各物理量都可以由实验测出来。即微观量的大小可以通
过宏观量的测定而得到的。
板书
4、电子就是通过测定荷质比而被发现的。
5、测定荷质比的装置――质谱仪(最初由汤姆生发现的)。
6、质谱线:从离子源中射出的带电粒子的电量相同,而质量有微
小差别,由公式q/m=2U/B2r2,它们进入磁场后将沿不同的半径做圆周
运动,打在照相底片的不同位置,在底片上形成若干谱线条的细条,叫
质谱线。得用质谱线可以准确地测出各种同位素的原子量。
板书
(二)、速度选择器
多媒体摸拟动态过程并讲解
S3
S2
1、原理示意图离子从小孔S1飘出来时速度并不相
同,因此经加速电场加速后,从缝S3进
入匀强磁场中速度也不同,这对实验有
一定的影响。于是人们在缝S2和缝S3
之间加一速度选择器。其中D1和D2是
板书
两个平行金属板,分别连电源的两极上,
其间有一定的电场强度E,同时在这空间加有垂直电场方向的磁场,
磁感应强度为B。不同速率的粒子进入混合场,运动轨迹不同。
2、原理:
若BqvEq,粒子向右偏转;
f=Bqv
F=Eq
若Bqv
若Bqv=Eq,粒子由缝S3射出
根据:Bqv=Eq
则:V=E/B
3、讨论:
提问,学生讨论
1)、若带电粒子带负电,会不会影响速度选择器对速度的选择?
若把磁场或电场反向,会不会影响速度选择器对速度的选择?
若把磁场和电场同时反向,会不会影响速度选择器对速度的
S1
A
S2
S3
A
D
U
B
S1
A
S2
S3
A
D
U
B
选择?
多媒体摸拟动态过程并讲解
2)、质谱仪主要是用来研究
同位素的粒子的质量为m,
电量为q,加速电压为U,速
度选择器内电场为E,磁感应
强度为B,匀强磁场的磁感
应强度为B,粒子射到了照
相底片上,使底片感受光,设底片感光处距S3的距离为x,试证
明x=qBBx/2E.
板书
(三)、回旋加速器
1、不是利用高压电源使粒子一次性得到巨大的速度,而是利
用电压较低的高频电源,使粒子每隔一定的时间受到一次加速,经
过多次加速后达到巨大速度。
2、回旋加速器的主要构造
多媒体摸拟动态过程
多媒体摸拟动态过程
回旋加速器的核心部分是两个D形的金属扁盒,这两个D形盒
就象是沿着直径把一个圆形的金属扁盒切成两半,两个D形盒之间
留一个窄缝,在中心附近放有粒子源。D形盒装在真空容器中,整
个装置放在巨大电磁铁的两极之间,磁场方向垂直于D形盒的底面。
两个D形盒分别接在频率为的高频电源的两极上,就在D形盒的窄
缝之间造成交变电场,这样粒子源发出的带电粒子就不断加速。带电
粒子在D形盒内沿螺旋线逐渐趋于盒的边缘,达到一定的速率后,
用特殊装置把它们引出。
3、工作原理
1)
多媒体摸拟动态过程,并分过程、一步一步讨论
A0处放一粒子源,带正电的粒子以某一速率v0垂直进入匀
强磁场,在磁场中作匀速圆周运动,经过T/2,沿圆弧A0A1到达A1。
2)
A4
A4
v4
A0
v3
v1
A1
A2
A3
A3
A1
A2
v0
v2
A5
v5
A5
在A1A处造成一个向上电场,使其加速,速率由v0增加到
v1,粒子以v1在磁场中做匀速
圆周运动,虽然粒子的运动半径
随速率的增大而增大,但周期与
速率、半径无关,所以经过T/2,
沿半圆弧A1A2到达A2。
3)在A2A2处造成一向下电经
加速后,速率为v2。
3)如此继续下去,每当粒子运动到A1、A3、A5有一向上电场
加速,每当粒子运动到A2、A4、A6处有一向下电场加速,粒子沿着螺
线回旋下去,速率将一步一步地增大。
4、说明:要保证粒子沿着螺线回旋下去,速率一步一步地增大,
交变电场的周期必须与粒子作匀速圆周运动周期相等。
四、总结
教师总结
本节课共讨论了三个主要应用,分别是质谱仪、速度选择器和回
旋加速器,要掌握它们的原理,只要明确带电粒子在电场和磁场的运
动规律即可。
五、布置作业
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