1、帶電粒子在復(fù)合場中的運動實例分析,1、質(zhì)譜儀,思考：質(zhì)譜儀的主要作用是什么？,測定帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素,（1）這是丹普斯特(Dempster)設(shè)計的質(zhì)譜儀的原理。,mv2/2=qU (1),mv2/R=qvB (2),m=qB2R22U。 (3),如果B、u和q是已知的，測出R后就可由(3)式算出帶電粒子的質(zhì)量。,（2）班布瑞基(Bainbridge)設(shè)計的質(zhì)譜儀的原理,eE=evB,R=mv/qB,m=qBR/v,如果B、V和q是已知的，測出R后就可算出帶電粒子的質(zhì)量。,2、回旋加速器,（1）有關(guān)物理學(xué)史知識和回旋加速器的基本結(jié)構(gòu)和原理,回旋加速器（勞倫斯1939獲Nobel priz

2、e）,2、回旋加速器,a、原理： 磁場什么作用？ 使粒子在D形盒內(nèi)_。 電場什么作用？重復(fù)多次對粒子_. 最終速度取決于什么量？,b、條件：,交變電壓的周期等于粒子圓周運動的周期,c、優(yōu)點和缺點：,兩個D形金屬盒做外殼的作用是什么?,交變電壓頻率=粒子回旋頻率,2、作用：產(chǎn)生高速運動的粒子,3、原理,用磁場控制軌道、用電場進(jìn)行加速,2.交變電場的周期和粒子的運動周期 T相同-保證粒子每次經(jīng)過交變 電場時都被加速,1. 粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動周期不變,回旋加速器,問題歸納,3.帶電粒子每經(jīng)電場加速一次,回旋半徑就增大一次,每次增加的動能為,5.粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定,問題歸納,4、每一

3、個周期加速兩次,6、電場加速過程中,時間極短,可忽略,6、最終能量,粒子運動半徑最大為D形盒的半徑R,帶電粒子經(jīng)加速后的最終能量：,所以最終能量為,7、帶電粒子在D形金屬盒內(nèi)運動的軌道半徑是不等距分布的,設(shè)粒子的質(zhì)量為m，電荷量為q，兩D形金屬盒間的加速電壓為U，勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，粒子第一次進(jìn)入D形金屬盒，被電場加速1次，以后每次進(jìn)入D形金屬盒都要被電場加速2次。粒子第n次進(jìn)入D形金屬盒時，已經(jīng)被加速（2n-1）次。,問題:帶電粒子在D形金屬盒內(nèi)任意兩個相鄰的圓形軌道半徑之比為 多少?,可見帶電粒子在D形金屬盒內(nèi)運動時，軌道是不等距分布的，越靠近D形金屬盒的邊緣，相鄰兩軌道的間距越小。

4、,3速度選擇器,【例1】 某帶電粒子從圖中速度選擇器左端由中點O以速度v0向右射去，從右端中心a下方的b點以速度v1射出；若增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B，該粒子將打到a點上方的c點，且有ac=ab，則該粒子帶_電；第二次射出時的速度為_。若要使粒子從a 點射出,電場E= .,速度選擇器： （1）任何一個正交的勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場組成速度選擇器。 （2）帶電粒子必須以唯一確定的速度 （包括大小、方向）才能勻速通過速度選擇器。否則將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。即有確定的入口和出口。 （3）這個結(jié)論與粒子帶何種電荷、電荷多少都無關(guān)。, , ,v,速度選擇器：, , ,v,若速度小于這一速度，電場力將大于洛倫茲力，帶電粒子向電場力方

5、向偏轉(zhuǎn)，電場力做正功，動能將增大，洛倫茲力也將增大，粒子的軌跡既不是拋物線，也不是圓，而是一條復(fù)雜曲線；若大于這一速度，將向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)，電場力將做負(fù)功，動能將減小，洛倫茲力也將減小，軌跡是一條復(fù)雜曲線。,4、霍爾效應(yīng),1879年霍耳發(fā)現(xiàn)，把一載流導(dǎo)體放在磁場中，如果磁場方向與電流方向垂直，則在與磁場和電流二者垂直的方向上出現(xiàn)橫向電勢差，這一現(xiàn)象稱之為霍耳現(xiàn)象。,如圖，導(dǎo)電板高度為b厚度為 d放在垂直于它的磁場B中。當(dāng)有電流I通過它時，由于磁場使導(dǎo)體內(nèi)移動的電荷發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在 A、A 兩側(cè)分別聚集了正、負(fù)電荷，在導(dǎo)電板的A、A 兩側(cè)會產(chǎn)生一個電勢差U。,設(shè)導(dǎo)電板內(nèi)運動電荷的平均定向速率為

6、u，它們在磁場中受到的洛侖茲力為：,當(dāng)導(dǎo)電板的A、A 兩側(cè)產(chǎn)生電勢差后，運動電荷會受到電場力：,導(dǎo)電板內(nèi)電流的微觀表達(dá)式為：,由以上各式解得：,其中 叫霍爾系數(shù),5、磁流體發(fā)電機(jī),（2001年北京海淀區(qū)高考模擬題）目前世界上正在研究的 一種新型發(fā)電機(jī)叫做磁流體發(fā)電機(jī)這種發(fā)電機(jī)與一般發(fā)電機(jī)不同，它可以直接把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能，它的發(fā)電原理是：將一束等離子體（即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和帶負(fù)電的微粒，而從整體來說呈中性）噴射人磁場，磁場中A、B金屬板上會聚集電荷，產(chǎn)生電壓設(shè)A、B兩平行金屬板的面積為S，彼此相距L，等離子體氣體的導(dǎo)電率為P（即電阻率的倒數(shù)）噴入速度為v板問磁感應(yīng)強(qiáng)度B與氣流方向

7、垂直，與板相連的電阻的阻值為R問流過R的電流I為多少？,5、磁流體發(fā)電機(jī),6、電磁流量計,如圖所示,一圓形導(dǎo)管直徑為d,用非磁性材料制成,其中有可以導(dǎo)電的液體向左流動,導(dǎo)電液體中的自由電荷(正負(fù)電荷)所受洛倫茲力的方向?正負(fù)電荷在洛倫茲力作用下將如何偏轉(zhuǎn)?a、b間是否存在電勢差?哪點的電勢高?,當(dāng)自由電荷所受電場力和洛倫茲力平衡時a、b間的電勢差就保持穩(wěn)定.,液體的流量:,如圖是一種測量血管中血流速度的儀器的示意圖,在動脈兩側(cè)分別安裝電極并加磁場,電極的連線與磁場垂直.設(shè)血管的直徑為2mm,磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.08T,測得兩極間的電壓為0.10mV,則血流速度為多少?,電磁流量計,一個帶電微

8、粒在圖示的正交勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場中在豎直面內(nèi)做勻速圓周運動。則該帶電微粒必然帶_，旋轉(zhuǎn)方向為_。若已知圓半徑為r，電場強(qiáng)度為E磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則線速度為_。,負(fù)電,逆時針,結(jié)論：帶電微粒在三個場共同作用下做勻速圓周運動。必然是電場力和重力平衡，而洛倫茲力充當(dāng)向心力。,疊加勻速圓周型,電磁流量計,如圖所示,一圓形導(dǎo)管直徑為d,用非磁性材料制成,其中有可以導(dǎo)電的液體向左流動,導(dǎo)電液體中的自由電荷(正負(fù)電荷)所受洛倫茲力的方向?正負(fù)電荷在洛倫茲力作用下將如何偏轉(zhuǎn)?a、b間是否存在電勢差?哪點的電勢高?,當(dāng)自由電荷所受電場力和洛倫茲力平衡時a、b間的電勢差就保持穩(wěn)定.,液體的流量:,如圖是一種測量血管

9、中血流速度的儀器的示意圖,在動脈兩側(cè)分別安裝電極并加磁場,電極的連線與磁場垂直.設(shè)血管的直徑為2mm,磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.08T,測得兩極間的電壓為0.10mV,則血流速度為多少?,電磁流量計,霍爾效應(yīng),1879年霍耳發(fā)現(xiàn)，把一載流導(dǎo)體放在磁場中，如果磁場方向與電流方向垂直，則在與磁場和電流二者垂直的方向上出現(xiàn)橫向電勢差，這一現(xiàn)象稱之為霍耳現(xiàn)象。,四、霍爾效應(yīng),如圖，導(dǎo)電板高度為b厚度為 d放在垂直于它的磁場B中。當(dāng)有電流I通過它時，由于磁場使導(dǎo)體內(nèi)移動的電荷發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在 A、A 兩側(cè)分別聚集了正、負(fù)電荷，在導(dǎo)電板的A、A 兩側(cè)會產(chǎn)生一個電勢差U。,設(shè)導(dǎo)電板內(nèi)運動電荷的平均定向速率為u，它們在磁場中受到的洛侖茲力為：,當(dāng)導(dǎo)電板的A、A 兩側(cè)產(chǎn)生電勢差后，運動電荷會受到電場力：,導(dǎo)電板內(nèi)電流的微觀表達(dá)式為：,由以上各式解得：,其中 叫霍爾系數(shù),例、霍爾效應(yīng)可解釋如下：外部磁場的洛侖茲力使運動的電子聚集在導(dǎo)體板的一側(cè)，在導(dǎo)體板的另一側(cè)會出現(xiàn)多余的正電荷，從而形成橫向電場對電子施加與洛侖茲力方向相反的靜電力。當(dāng)靜電子與洛侖茲力達(dá)到平衡時，導(dǎo)體上下兩側(cè)之間就會形成穩(wěn)定的電勢差。設(shè)電流I是由電子的定向流動形成的，電子的平均定向速度為v，電量為e。回答下列問題：,（1）達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，導(dǎo)體板上側(cè)面A的電勢_下側(cè)面的電勢（填高于、低于或等于）。 （2）電子所