磁聚焦课件.ppt

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,带电粒子在磁场中的运动,磁聚焦,磁聚焦：

一组平行粒子垂直射入半径为R的圆形匀强磁场区域，若轨迹半径也为R，则粒子将汇聚于同一点。

磁发散：

从一点进入磁场的粒子，若圆周运动的半径与磁场半径相同，则无论在磁场内的速度方向如何，出磁场的方向都与该点切线方向平行。

磁聚焦原理图解,条件：

圆形磁场区域半径与粒子轨道半径一样,O1,O2,A,B,磁聚焦原理图解,条件：

圆形磁场区域半径与粒子轨道半径一样大。

现象：

从圆心打出的任意方向的粒子飞出方向与入射点切线平行。

拓展：

可逆性,入射点,例1：

如右图所示，在半径为R的圆形区域内充满磁感应强度为B的匀强磁场，MN是一竖直放置的感光板从圆形磁场最高点P垂直磁场射入大量的带正电、电荷量为q、质量为m、速度为v的粒子，不考虑粒子间的相互作用力，关于这些粒子的运动以下说法正确的是（）A只要对着圆心入射，出射后均可垂直打在MN上B对着圆心入射的粒子，其出射方向的反向延长线不一定过圆心C对着圆心入射的粒子，速度越大在磁场中通过的弧长越长，时间也越长D只要速度满足，沿不同方向入射的粒子出射后均可垂直打在MN上,D,例2：

D,x,y,O,v0,例3：

在xoy平面内有很多质量为m，电量为e的电子，从坐标原点O不断以相同速率沿不同方向射入第一象限，如图所示现加一垂直于xOy平面向里、磁感强度为B的匀强磁场，要求这些入射电子穿过磁场都能平行于x轴且沿x轴正向运动，试问符合该条件的磁场的最小面积为多大？

（不考虑电子间的相互作用）,例4：

电子质量为m、电量为e，从坐标原点O处沿xOy平面射入第一象限，射入时速度方向不同，速度大小均为v0，如图所示现在某一区域加方向向外且垂直于xOy平面的匀强磁场，磁感应强度为B，若这些电子穿过磁场后都能垂直射到荧光屏MN上，荧光屏与y轴平行，求：

（1）电子在磁场中的运动半径大小；

（2）荧光屏上光斑的长度；（3）所加磁场范围的最小面积,

（1）mv0/eB

（2）mv0/eB（3）（/2+1）（mv0/eB）2,例3：

如图，ABCD是边长为a的正方形。

质量为m电荷量为e的电子以大小为v0的初速度沿纸面垂直于BC边射入正方形区域。

在正方形内适当区域中有匀强磁场，电子从BC边上的任意点入射，都只能从A点射出磁场。

不计重力，求：

（1）此匀强磁场区域中磁感应强度的大小和方向；

（2）此匀强磁场区域的最小面积。

S=2（a2/4-a2/2）=（-2）a2/2,解：

（1）设匀强磁场的磁感应强度的大小为B。

令圆弧AEC是自C点垂直于BC入射的电子在磁场中的运行轨道。

依题意，圆心在A、C连线的中垂线上，故B点即为圆心，圆半径为a，按照牛顿定律有ev0B=mv02/a，得B=mv0/ea。

（2）自BC边上其他点入射的电子运动轨道只能在BAEC区域中。

因而，圆弧AEC是所求的最小磁场区域的一个边界。

（3）设某射中A点的电子速度方向与BA的延长线夹角为的情形。

该电子的运动轨迹qpA如图所示。

图中圆弧Ap的圆心为O，pq垂直于BC边，圆弧Ap的半径仍为a，在D为原点、DC为x轴、DA为y轴的坐标系中，p点的坐标为（x，y），则x=asin，y=-acos。

因此，所求的最小匀强磁场区域，是分别以B和D为圆心、a为半径的两个四分之一圆周AEC和AFC所围成的区域，其面积为S=2（a2/4-a2/2）=（-2）a2/2,由式可得：

x2+y2=a2，这意味着在范围0/2内，p点处在以D为圆心、a为半径的四分之一圆周AFC上，它是电子做直线运动和圆周运动的分界线，构成所求磁场区域的另一边界。

磁聚焦概括：

平行会聚于一点,一点发散成平行,区域半径R与运动半径r相等,迁移与逆向、对称的物理思想！

例、（2009年浙江卷）如图，在xOy平面内与y轴平行的匀强电场，在半径为R的圆内还有与xOy平面垂直的匀强磁场。

在圆的左边放置一带电微粒发射装置，它沿x轴正方向发射出一束具有相同质量m、电荷量q（q0）和初速度v的带电微粒。

发射时，这束带电微粒分布在0y2R的区间内。

已知重力加速度大小为g。

（1）从A点射出的带电微粒平行于x轴从C点进入有磁场区域，并从坐标原点O沿y轴负方向离开，求电场强度和磁感应强度的大小与方向。

（2）请指出这束带电微粒与x轴相交的区域，并说明理由。

（3）在这束带电磁微粒初速度变为2v，那么它们与x轴相交的区域又在哪里？

并说明理由。

【答案】

（1）；方向垂直于纸面向外

（2）见解析（3）与x同相交的区域范围是x0.,【解析】略,【关键】图示,例、如图，在xOy平面内，有以O（R，0）为圆心，R为半径的圆形磁场区域，磁感应强度大小为B，方向垂直xOy平面向外，在y=R上方有范围足够大的匀强电场，方向水平向右，电场强度大小为E。

在坐标原点O处有一放射源，可以在xOy平面内向y轴右侧（x0）发射出速率相同的电子，已知电子在该磁场中的偏转半径也为R，电子电量为e，质量为m。

不计重力及阻力的作用。

（1）求电子射入磁场时的速度大小；

（2）速度方向沿x轴正方向射入磁场的电子，求它到达y轴所需要的时间；（3）求电子能够射到y轴上的范围。

例、如图所示，在xOy平面上HyH的范围内有一片稀疏的电子，从x轴的负半轴的远外以相同的速率v0沿x轴正向平行地向y轴射来，试设计一个磁场区域，使得：

（1）所有电子都能在磁场力作用下通过原点O；

（2）这一片电子最后扩展到2Hy2H范围内，继续沿x轴正向平行地以相同的速率v0向远处射出。

已知电子的电量为e，质量为m，不考虑电子间的相互作用。

对称思想,例、（2008重庆高考）如图为一种质谱仪工作原理示意图。

在以O为圆心，OH为对称轴，夹角为2的扇形区域内分布着方向垂直于纸面的匀强磁场。

对称于OH轴的C和D分别是离子发射点和收集点。

CM垂直磁场左边界于M，且OM=d。

现有一正离子束以小发散角（纸面内）从C射出，这些离子在CM方向上的分速度均为v0。

若该离子束中比荷为q/m的离子都能会聚到D，试求：

（1）磁感应强度的大小和方向（提示：

可考虑沿CM方向运动的离子为研究对象）；

（2）离子沿与CM成角的直线CN进入磁场，其轨道半径和在磁场中的运动时间；（3）线段CM的长度。

解：

（1）如图所示，设沿CM方向运动的离子在磁场中做圆周运动的轨道半径为R，,由R=d，qv0B=mv02/R,可得B=mv0/qd，磁场方向垂直纸面向外。

（2）设沿CN运动的离子速度大小为v，在磁场中的轨道半径为R，运动时间为t由vcos=v0，得v=v0/cos。

R=mv/qB=d/cos。

设弧长为s，t=s/v，s=2（+）R,离子在磁场中做匀速圆周运动的周期T=2m/Bq，,得：

t=,（3）CM=MNcot,由正弦定理得,=,R=mv/qB=d/cos。

以上3式联立求解得CM=dcot,例、如图，在直角坐标系xOy中，点M（0，1）处不断向+y方向发射出大量质量为m、带电量为q的粒子，粒子的初速度大小广泛分布于零到v0之间。

已知这些粒子此后所经磁场的磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面向里，所有粒子都沿+x方向经过b区域，都沿y的方向通过点N（3，0）。

（1）通过计算，求出符合要求的磁场范围的最小面积；

（2）若其中速度为k1v0和k2v0的两个粒子同时到达N点（1k1k20），求二者发射的时间差。

例、（1975IPHO试题）质量均为m的一簇粒子在P点以同一速度v向不同方向散开（如图），垂直纸面的匀强磁场B将这些粒子聚焦于R点，距离PR=2a，离子的轨迹应是轴对称的。

试确定磁场区域的边界。

解答：

在磁场B中，粒子受洛仑兹力作用作半径为r的圆周运动：

设半径为r的圆轨道上运动的粒子，在点A（x，y）离开磁场，沿切线飞向R点。

由相似三角形得到：

同时，A作为轨迹圆上的点，应满足方程：

x2+（yb）=r2,消去（y-b），得到满足条件的A点的集合，因此，表示磁场边界的函数方程为：

例、（第二十届全国预赛试题）从z轴上的O点发射一束电量为q、质量为m的带正电粒子，它们速度方向分布在以O点为顶点、z轴为对称轴的一个顶角很小的锥体内（如图所示），速度的大小都等于v。

试设计一种匀强磁场，能使这束带电粒子会聚于z轴上的另一点M，M点离开O点的距离为d。

要求给出该磁场的方向、磁感应强度的大小和最小值。

不计粒子间的相互作用和重力的作用。

n=1，2，3，,磁透镜,谢谢听讲！