1、洛倫茲力的應(yīng)用,基本應(yīng)用：利用磁場(chǎng)控制粒子的運(yùn)動(dòng)方向,例：,一.速度選擇器,在電、磁場(chǎng)中，若不計(jì)重力，則：,在如圖所示的平行板器件中，電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B相互垂直，具有不同水平速度的帶電粒子射入后發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情況不同。這種裝置能把具有某一特定速度的粒子選擇出來(lái)，所以叫速度選擇器。 試求出粒子的速度為多少時(shí)粒子能沿虛線通過(guò)。,1、若帶電粒子帶負(fù)電，會(huì)不會(huì)影響速度選擇器對(duì)速度的選擇？,2、若把磁場(chǎng)或電場(chǎng)反向，會(huì)不會(huì)影響速度選擇器對(duì)速度的選擇？,3、若把磁場(chǎng)和電場(chǎng)同時(shí)反向，會(huì)不會(huì)影響速度選擇器對(duì)速度的選擇？,洛倫茲力的應(yīng)用（速度選擇器）,【討論與交流】,4、電場(chǎng)、磁場(chǎng)方向不變，粒子從右向左運(yùn)動(dòng)，能

2、直線通過(guò)嗎？,速度選擇器： 1.速度選擇器只選擇速度，與電荷的正負(fù)無(wú)關(guān)； 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（或者說(shuō)沿直線）通過(guò)速度選擇器。否則偏轉(zhuǎn)。 3.注意電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向搭配。,將向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)力將做負(fù)功，動(dòng)能將減小，洛倫茲力也將減小，軌跡是一條復(fù)雜曲線。,若速度小于這一速度？,電場(chǎng)力將大于洛倫茲力，帶電粒子向電場(chǎng)力方向偏轉(zhuǎn)， 電場(chǎng)力做正功，動(dòng)能將增大，洛倫茲力也將增大；,若大于這一速度？,速度選擇器,當(dāng)Ff時(shí)，EqBqv即：vE/B時(shí)，粒子作曲線運(yùn)動(dòng)。,當(dāng)F=f時(shí)，Eq=Bqv即：v=E/B時(shí)，粒子作勻速直線運(yùn)動(dòng)。,當(dāng)FE/B時(shí)，粒子作曲線運(yùn)動(dòng)。,只

3、要粒子速度滿足v=E/B，即使電性不同，比荷不同，也可以沿直線穿出右側(cè)小孔。而其他速率的粒子，要么上偏要么下偏，無(wú)法穿出右側(cè)小孔，因此達(dá)到了選擇某一速度的帶電粒子的目的。所以稱之為：“速度選擇器”。,練習(xí): 在兩平行金屬板間有正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)，一個(gè)帶電粒子垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向射入場(chǎng)中，射出時(shí)粒子的動(dòng)能減少了，為了使粒子射出時(shí)動(dòng)能增加，在不計(jì)重力的情況下，可采取的辦法是： A.增大粒子射入時(shí)的速度 B.減小磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 C.增大電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度 D.改變粒子的帶電性質(zhì),BC,2如圖所示是粒子速度選擇器的原理圖，如果粒子所具有的速率v=E/B，那么: ( ) A帶正電粒子必須沿ab方向從

4、左側(cè)進(jìn)入場(chǎng)區(qū)，才能沿直線通過(guò) B. 帶負(fù)電粒子必須沿ba方向從右側(cè)進(jìn)入場(chǎng)區(qū)，才能沿直線通過(guò) C不論粒子電性如何，沿ab方向從左側(cè)進(jìn)入場(chǎng)區(qū)，都能沿直線通過(guò) D. 不論粒子電性如何，沿ba方向從右側(cè)進(jìn)入場(chǎng)區(qū)，都能沿直線通過(guò),例題.一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子,從容器下方的小孔S1飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng),其初速度幾乎為零,然后經(jīng)過(guò)S3沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,最后打到照相底片D上. (1)求粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率 (2)求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑,二、質(zhì)譜儀,質(zhì)譜儀最初是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計(jì)的，他用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了氖20和氖22，證實(shí)了同位素的存在?，F(xiàn)在質(zhì)譜儀已經(jīng)是一種

5、十分精密的儀器，是測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具。,改進(jìn)的質(zhì)譜儀原理如圖所示，a為粒子加速器，電壓為U1；b為速度選擇器，磁場(chǎng)與電場(chǎng)正交，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，板間距離為d；c為偏轉(zhuǎn)分離器，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2。今有一質(zhì)量為m、電量為+e的正電子(不計(jì)重力)，經(jīng)加速后，該粒子恰能通過(guò)速度選擇器，粒子進(jìn)入分離器后做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。求： (1)粒子的速度v為多少？ (2)速度選擇器的電壓U2為多少？ (3)粒子在B2磁場(chǎng)中做勻速圓周 運(yùn)動(dòng)的半徑R為多大？,三、加速器,問(wèn)題1：用什么方法可以加速帶電粒子?,利用加速電場(chǎng)可以加速帶電粒子,問(wèn)題2：要使一個(gè)帶正電粒子獲得更大的 速度(能量)?,

6、采用多個(gè)電場(chǎng),使帶電粒子多級(jí)加速,采用上圖進(jìn)行多級(jí)加速,真的可行嗎?有什么問(wèn)題?如何改進(jìn)?,改進(jìn)辦法：采用靜電屏蔽 可以用金屬圓筒代替原來(lái)的極板這樣，既可以在金屬圓筒的間隙處形成加速電場(chǎng)，又使得圓筒內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)為零，從而消除了減速電場(chǎng)的不利影響,加速,勻速,進(jìn)一步改進(jìn)： 為了簡(jiǎn)化裝置，我們可用一個(gè)公用電源來(lái)提供各級(jí)的加速電壓,如果我們要加速一帶正電的粒子,若電源的極性保持恒定（始終為A正B負(fù)）,你認(rèn)為這個(gè)粒子能夠“一路順風(fēng)”,不斷加速嗎?,為了實(shí)現(xiàn)帶電粒子的多級(jí)加速，應(yīng)該采用交變電源，使粒子進(jìn)入每一級(jí)都能繼續(xù)加速。并且電源極性的變化還必須與粒子的運(yùn)動(dòng)配合默契，步調(diào)一致，即要滿足同步條件。,（一）

7、直線加速器,多級(jí)直線加速器應(yīng)具備的條件：,利用電場(chǎng)加速帶電粒子；,通過(guò)多級(jí)加速獲得高能粒子；,將加速電場(chǎng)以外的區(qū)域靜電屏蔽；,采用交變電源提供加速電壓；,電場(chǎng)交替變化與帶電粒子運(yùn)動(dòng)應(yīng)滿足同步條件,1加速原理：利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正功使帶電粒子的動(dòng)能增加，qU=Ek,2直線加速器，多級(jí)加速 如圖所示是多級(jí)加速裝置的原理圖：,六、加速器,（一）、直線加速器,由動(dòng)能定理得帶電粒子經(jīng)n極的電場(chǎng)加速后增加的動(dòng)能為：,3直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制,1966年建成的美國(guó)斯坦福電子直線加速器管長(zhǎng)3050米，電子能量高達(dá)22吉電子伏，脈沖電子流強(qiáng)約80毫安，平

8、均流強(qiáng)為48微安。,加利佛尼亞斯坦福大學(xué)的粒子加速器,1932年，美國(guó)物理學(xué)家勞侖斯發(fā)明了回旋加速器，從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進(jìn)了一大步為此，勞侖斯榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),（二）.回旋加速器,如圖，回旋加速器的核心部分為D形盒，它的形狀有如扁圓的金屬盒沿直徑剖開(kāi)的兩半，每半個(gè)都象字母D的形狀。兩D形盒之間留有窄縫，中心附近放置離子源（如質(zhì)子、氘核或粒子源等）。在兩D形盒間接上交流電源于是在縫隙里形成一個(gè)交變電場(chǎng)。由于電屏蔽效應(yīng)，在每個(gè)D形盒的內(nèi)部電場(chǎng)很弱。D形盒裝在一個(gè)大的真空容器里，整個(gè)裝置放在巨大的電磁鐵兩極之間的強(qiáng)大磁場(chǎng)中，這磁場(chǎng)的方向垂直于D形盒的底面。,組成: 兩個(gè)D形

9、盒 大型電磁鐵 高頻交流電源 電場(chǎng)作用： 用來(lái)加速帶電粒子 磁場(chǎng)作用： 用來(lái)使粒子回旋從而能被反復(fù)加速,1、結(jié)構(gòu)：,2、原理,交變電壓：保證帶電粒子每次經(jīng)過(guò)窄縫時(shí)都被加速。,用磁場(chǎng)控制軌道、用電場(chǎng)進(jìn)行加速,問(wèn)題1：粒子被加速后，運(yùn)動(dòng)速率和運(yùn)動(dòng)半徑都會(huì)增加，它的運(yùn)動(dòng)周期會(huì)增加嗎?,問(wèn)題2：在回旋加速器中，如果兩個(gè)D型盒不是分別接在高頻交流電源的兩極上，而是接在直流的兩極上，那么帶電粒子能否被加速？請(qǐng)?jiān)趫D中畫出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。,?,問(wèn)題3：要使粒子每次經(jīng)過(guò)電場(chǎng)都被加速，應(yīng)在電極上加一個(gè) 電壓。,交變,交變電壓的周期TE = 粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期TB,根據(jù)下圖，說(shuō)一說(shuō)為使帶電粒子不斷得到加速，提供

10、的電壓應(yīng)符合怎樣的要求？,問(wèn)題4：回旋加速器加速的帶電粒子的最終能量由哪些因素決定?,觀點(diǎn)1：認(rèn)為電場(chǎng)是用來(lái)加速的，磁場(chǎng)是用來(lái)回旋的，最終的能量應(yīng)與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。應(yīng)與電場(chǎng)有關(guān)，加速電壓越高，粒子最終能量越高。對(duì)嗎？,觀點(diǎn)2： 運(yùn)動(dòng)半徑最大Rm=mVm/qB,得 Vm=qBRm/m 半徑最大時(shí)，速度也應(yīng)最大。 帶電粒子的運(yùn)動(dòng)最大半徑等于D形盒的半徑時(shí)，粒子的速度達(dá)到最大。對(duì)嗎？,問(wèn)題5：已知D形盒的直徑為D，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，交變電壓的電壓為U， 求：從出口射出時(shí)，粒子的速度v=?,解： 當(dāng)粒子從D形盒出口飛出時(shí)， 粒子的運(yùn)動(dòng)半徑=D形盒的半徑,問(wèn)題6：已知D形盒的直徑為D，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)

11、強(qiáng)度為B，交變電壓的電壓為U， 求:(1)從出口射出時(shí)，粒子的動(dòng)能Ek=? (2)要增大粒子的最大動(dòng)能可采取哪些措施?,實(shí)際并非如此例如：用這種經(jīng)典的回旋加速器來(lái)加速粒子，最高能量只能達(dá)到20MeV這是因?yàn)楫?dāng)粒子的速率大到接近光速時(shí)，按照相對(duì)論原理，粒子的質(zhì)量將隨速率增大而明顯地增加，從而使粒子的回旋周期也隨之變化，這就破壞了加速器的同步條件,為了獲得更高能量的帶電粒子，人們又繼續(xù)尋找新的途徑例如，設(shè)法使交變電源的變化周期始終與粒子的回旋周期保持一致，于是就出現(xiàn)了同步回旋加速器除此之外，人們還設(shè)計(jì)制造出多種其它的新型加速器目前世界上最大的加速器已能使質(zhì)子達(dá)到10000億eV(106MeV)以上

12、的能量,美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室加速器,例1：關(guān)于回旋加速器中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用的敘述，正確的是( ) A、電場(chǎng)和磁場(chǎng)都對(duì)帶電粒子起加速作用 B、電場(chǎng)和磁場(chǎng)是交替地對(duì)帶電粒子做功的 C、只有電場(chǎng)能對(duì)帶電粒子起加速作用 D、磁場(chǎng)的作用是使帶電粒子在D形盒中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),CD,例2：質(zhì)量為m、帶電量為q的帶電粒子在回旋加速器中央狹縫的正中間由靜止釋放，在電場(chǎng)加速后進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)，設(shè)電場(chǎng)的加速電壓為U，則粒子第一次做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑R0= ，粒子在磁場(chǎng)中的周期T= 。,交變電壓的周期T=?,例3：一回旋加速器，可把質(zhì)子加速到v，使它獲得動(dòng)能EK （1）能把粒子加速到的速度為?

13、（2）能把粒子加速到的動(dòng)能為? （3）加速粒子的交變電場(chǎng)頻率與加速質(zhì)子的交變電場(chǎng)頻率之比為?,2、交變電場(chǎng)的周期和粒子的運(yùn)動(dòng)周期T相同-保證粒子每次經(jīng)過(guò)交變電場(chǎng)時(shí)都被加速,1、 粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)周期不變,三、回旋加速器 小結(jié),3、帶電粒子每經(jīng)電場(chǎng)加速一次,回旋半徑就增大一次,每次增加的動(dòng)能為,各次半徑之比為,4、粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定,四、電磁流量計(jì),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(dòng),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(shì)差?哪點(diǎn)的電勢(shì)高?,當(dāng)自由電荷所受電場(chǎng)力和洛

14、倫茲力平衡時(shí)a、b間的電勢(shì)差就保持穩(wěn)定.,電磁流量計(jì),電磁流流量計(jì),流體為：導(dǎo)電液體,目的：測(cè)流量,例：假設(shè)流量計(jì)是如圖所示的一段非磁性材料制成的圓柱形的管道，相關(guān)參量如圖所示，內(nèi)徑為d，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，求： 若管壁上a、b兩點(diǎn)間電勢(shì)差為U，求流量Q。,液體的流量:,厚度為h、寬度為d的金屬板放在垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)體板時(shí)，在導(dǎo)體板上下側(cè)面間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差U，這種現(xiàn)象叫霍爾效應(yīng)。,五、霍爾效應(yīng),上表面、下表面哪個(gè)面的電勢(shì)高?,下表面,流體為：定向移動(dòng)的電荷,電勢(shì)差是多少？,思考：如果電流是正電荷定向移動(dòng)形成的，則電勢(shì)哪端高？,（非金屬）,六、磁流體發(fā)電機(jī),磁流體發(fā)電是一

15、項(xiàng)新興技術(shù)，它可以把物體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能，右圖是它的示意圖，平行金屬板A、B之間有一個(gè)很強(qiáng)的磁場(chǎng)，將一束等粒子體（即高溫下電離的氣體，含有大量正、負(fù)帶電粒子）噴入磁場(chǎng)，AB兩板間便產(chǎn)生電壓。如果把AB和用電器連接，AB就是一個(gè)直流電源的兩個(gè)電極。,磁流體發(fā)電機(jī),正、負(fù)電荷在F洛作用下分別向B、A板聚集；,K斷開(kāi)時(shí)：, A、B間建立電場(chǎng)，有電勢(shì)差，電荷受F洛同時(shí)，還受F電；,隨電荷增多，電場(chǎng)增強(qiáng)，電勢(shì)差增大，F(xiàn)電增大；,v,二、磁流體發(fā)電機(jī),K斷開(kāi)時(shí)：,當(dāng) F電= F洛時(shí)，電荷不再偏轉(zhuǎn)，AB間電勢(shì)差 穩(wěn)定；,又外電路斷路，此時(shí)UBA=E,E場(chǎng)q=qvB,v,K閉合時(shí)：,通過(guò)R的電流豎直向上，AB上電荷減少； E場(chǎng)，F(xiàn)電，,電荷受力不平衡， 繼續(xù)偏轉(zhuǎn)補(bǔ)充，達(dá)動(dòng)態(tài)平衡！,磁流體發(fā)電機(jī),穩(wěn)定時(shí)：Eq=qvB,電動(dòng)勢(shì)：E=Ed=vdB,電流：I=E/（R+r）,1、圖中AB板哪一個(gè)是電源的正極？,2、此發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)？（兩板距離為d，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，等離子速度為v，電量為q）,圖示為磁