高中物理：6-3+洛伦兹力的应用+课件(鲁科版选修3-1).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,*,洛伦兹力的应用,一,、,质谱仪,1,、质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具,2,、基本原理,将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场，由于粒子动量不同，引起轨迹半径不同而分开，进而分析某元素中所含同位素的种类,3,、,推导,1,加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，,qU,=,E,k,2,直线加速器，多级加速,如图所示是多级加速装置的原理图：,二、加速器,（一）、直线加速器,由动能定理得带电粒子经,n,极的电场加速后增加的动能为：,3,直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制,（二）、回旋加速器,V,0,V,1,V,2,V,3,V,4,V,5,1,、带电粒子在两,D,形盒中回旋周期等于两盒狭缝之间高频电场的变化周期，粒子每经过一个周期，被电场加速二次,2,、将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接起来是一个初速度为零的匀加速直线运动,3,、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次，每次增加的动能为,所有各次半径之比为：,4,、对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半径是相同的。,5,、回旋加速器的出现，使人类在获得具有较高能量的粒子的方面前进了一 大步，了解其它类型的加速器：,直线加速器、同步加速器、电子感应加速器、串列加速器、电子对撞机等,小结：,回旋加速器利用两,D,形盒窄缝间的电场使带电粒子加速，利用,D,形盒内的磁场使带电粒子偏转，带电粒子所能获得的最终能量与,B,和,R,有关，与,U,无关,例,1,：关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正确的是,(),A,、电场和磁场都对带电粒子起加速作用,B,、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的,C,、只有电场能对带电粒子起加速作用,D,、磁场的作用是使带电粒子在,D,形盒中做匀速圆周运动,CD,U,q,S,S,1,x,P,B,例,2,：质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图，离子源,S,产生的各种不同正离子束,(速度可看作为零,),，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片,P,上，设离子在,P,上的位置到入口处,S,1,的距离为,x,，可以判断,(),A,、若离子束是同位素，则,x,越大，离子质量越大,B,、若离子束是同位素，则,x,越大，离子质量越小,C,、只要,x,相同，则离子质量一定相同,D,、只要,x,相同，则离子的荷质比一定相同,AD,1,2,1,2,例,3,：串列加速器是用来产生高能离子的装置。图中虚线框内为其主体的原理示意图，其中加速管的中部,b,处有很高的正电势,U,，,a,、,c,两端均有电极接地（电势为零）。现将速度很低的负一价碳离子从,a,端输入，当离子到达处时，可被设在,处的特殊装置将其电子剥离，成为,n,价正离子，而不改变其速度大小。这些正,n,价碳离子从,c,端飞出后进入一与其速度方向垂直的、磁感应强度为,B,的匀强磁场中，在磁场中做半径为,R,的圆周运动。已知碳离子的质量为,m=,2.0,10,-26,kg,，,U,=7.5,10,5,V,，,B,=0.50T,，,n,=2,，基元电荷,e,=1.6,10,-19,C,，求,R,。,=0.75m,a,b,c,加速管,加速管,a,b,C,加速管,加速管,1,2,1,2,解：设碳离子到达,b,处时的速度为,v,1,，,从,c,端射出时的速度为,v,2,，由能量关系得：,mv,1,2,/2=,eU,，,mv,2,2,/2,=,mv,1,2,/2,+,neU,，进入磁场后，碳离子做圆周运动，,R,=,mv,2,/,Bne,，得,=0.75m,a,b,c,加速管,加速管,a,b,C,加速管,加速管,三,.,速度选择器,在电、磁场中，若不计重力，则：,1.,速度选择器只选择速度，与电荷的正负无关；,2.,注意电场和磁场的方向搭配。,速度选择器：,（,1,）任何一个正交的匀强磁场和匀强电场组成速度选择器。,（,2,）带电粒子必须以唯一确定的速度,（包括大小、方向）才能匀速（或者说,沿直线）通过速度选择器。否则将发生,偏转。即有确定的入口和出口。,（,3,）这个结论与粒子带何种电荷、电荷多少都无关。,v,若速度小于这一速度，电场力将大于洛伦兹力，带电粒子向电场力方向偏转，电场力做正功，动能将增大，洛伦兹力也将增大，粒子的轨迹既不是抛物线，也不是圆，而是一条复杂曲线；若大于这一速度，将向洛伦兹力方向偏转，电场力将做负功，动能将减小，洛伦兹力也将减小，轨迹是一条复杂曲线。,练习,:,在两平行金属板间有正交的匀强电场和匀强磁场，一个带电粒子垂直于电场和磁场方向射入场中，射出时粒子的动能减少了，为了使粒子射出时动能增加，在不计重力的情况下，可采取的办法是：,A.,增大粒子射入时的速度,B.,减小磁场的磁感应强度,C.,增大电场的电场强度,D.,改变粒子的带电性质,BC,四,.,磁流体发电机,等离子体,即高温下电离的气体，含有大量的带正电荷和负电荷的微粒，总体是电中性的。,磁流体发电机,a,b,L,v,B,R,Eq,=,Bqv,电动势：,E=Ea,电流：,I=E/,（,R+r,）,r=,？,流体为：等离子束,目的：发电,五、电磁流量计,Bqv,=,Eq,=,qu/d,得,v=U/,Bd,流量：,Q=,Sv,=dU/4B,流体为：导电液体,目的：测流量,d,b,a,导电,液体,若管道为其他形状,如矩形呢,?,7,、霍尔效应,Eq,=,Bqv,I=,nqvS,U=Eh,（,U=E,）,流体为：定向移动的电荷,是一种现象,h,d,B,I,A,A,例,6,：图为一种获得高能粒子的装置。环行区域内存在垂直纸面向外的、大小可调节的均匀磁场。质量为,m,，电量为,+q,的粒子在环中做半径为,R,的圆周运动。,A,、,B,为两块中心开有小孔的极板。原来电势都为零，每当粒子飞经,A,板时，,A,板电势升高为,+U,，,B,板电势仍保持为零，粒子在两板间的电场中得到加速。每当粒子离开,B,板时，,A,板电势又降为零。粒子在电场中一次次加速下动能不断增大，而半径不变。,（,1,）,t=0,时粒子静止在,A,板小孔处，在电场力作用下加速，并绕行第一圈。求 粒子绕行,n,圈回到,A,板时获得的总动能,E,K,总,（,2,）为使粒子始终保持在半径为,R,的圆轨道上运动，求粒子绕行第,n,圈时的磁 感应强度,B,n,（,3,）求粒子绕行,n,圈所需的总时间,t,n,（设极板间距远小于,R,）,A,A +U,B 0,B,O,+U,例,3,：电视机的显像管中，电子束的偏转是用磁偏转技术实现的。电子束经过电压为,U,的加速电场后，进入一圆形匀强磁场区，如图所示。磁场方向垂直于圆面。磁场区的中心为,O,，半径为,r,。当不加磁场时，电子束将通过,O,点而打到屏幕的中心,M,点。为了让电子束射到屏幕边缘,P,，需要加磁场，使电子束偏转一已知角度,，此时磁场的磁感应强度,B,应为多少？,例,5,：如图，两个共轴的圆筒形金属电极，外电极接地，其上均匀分布着平行于轴线的四条狭缝、和，外筒的外半径为,，在圆筒之外的足够大区域中有平行于轴线方向的均匀磁场，磁感强度的大小为。在两极间加上电压，使两圆筒之间的区域内有沿向外的电场。一质量为、带电量为的粒子，从紧靠内筒且正对狭缝的点出发，初速为零。如果该粒子经过一段时间的运动之后恰好又回到出发点，则两电极之间的电压应是多少？（不计重力，整个装置在真空中）,