带电粒子在电场和磁场中运动的应用教案

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

S1—S2：加速电场

S2—S3：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

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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：

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若Bqv>Eq，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

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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=qBB’x/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’

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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A1’A2’到达A2’。

3)在A2’A2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

学习指导书的相应练习