高中物理洛倫茲力的應用課件 新課標 人教版 選修2-1

1、洛倫茲力的應用,一、質譜儀,1、質譜儀是測量帶電粒子質量和分析同位素的重要工具,2、基本原理,將質量不等、電荷數相等的帶電粒子經同一電場加速再垂直進入同一勻強磁場，由于粒子動量不同，引起軌跡半徑不同而分開，進而分析某元素中所含同位素的種類,3、推導,,1．加速原理：利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電粒子的動能增加，qU=?Ek．,2．直線加速器，多級加速　　　如圖所示是多級加速裝置的原理圖：,二、加速器,（一）、直線加速器,由動能定理

2、得帶電粒子經n極的電場加速后增加的動能為：,3．直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間范圍內制造直線加速器受到一定的限制．,（二）、回旋加速器,1、帶電粒子在兩D形盒中回旋周　　期等于兩盒狹縫之間高頻電場　　的變化周期，粒子每經過一個　周期，被電場加速二次,2、將帶電粒子在狹縫之間的運動首尾連接起　來是一個初速度為零的勻加速直線運動,3、帶電粒子每經電場加速一次，回旋半徑就增大一次，　 每次增加的動能為 所有各次

3、半徑之比為：,4、對于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半徑是相同的。,5、回旋加速器的出現，使人類在獲得具有較高能量的粒子的方面前進了一 大步，了解其它類型的加速器：直線加速器、同步加速器、電子感應加速器、串列加速器、電子對撞機等,小結：,回旋加速器利用兩D形盒窄縫間的電場使帶電粒子加速，利用D形盒內的磁場使帶電粒子偏轉，帶電粒子所能獲得的最終能量與B和R有關，與U無關．,例1：關于回旋加速器中電場和磁場的作用的敘述，

4、正確的是( )A、電場和磁場都對帶電粒子起加速作用B、電場和磁場是交替地對帶電粒子做功的C、只有電場能對帶電粒子起加速作用D、磁場的作用是使帶電粒子在D形盒中做勻速圓周運動,CD,例2：質譜儀是一種測定帶電粒子質量和分析同位素的重要工具，它的構造原理如圖，離子源S產生的各種不同正離子束(速度可看作為零)，經加速電場加速后垂直進入有界勻強磁場，到達記錄它的照相底片P上，設離子在P上的位置到入口處S1的距離

5、為x，可以判斷( ),A、若離子束是同位素，則x越大，離子質量越大B、若離子束是同位素，則x越大，離子質量越小C、只要x相同，則離子質量一定相同D、只要x相同，則離子的荷質比一定相同,AD,例3：串列加速器是用來產生高能離子的裝置。圖中虛線框內為其主體的原理示意圖，其中加速管的中部b處有很高的正電勢U，a、c兩端均有電極接地（電勢為零）?，F將速度很低的負一價碳離子從a端輸入，當離子到達ｂ處時，可被設在ｂ處

6、的特殊裝置將其電子剝離，成為n價正離子，而不改變其速度大小。這些正n價碳離子從c端飛出后進入一與其速度方向垂直的、磁感應強度為B的勻強磁場中，在磁場中做半徑為R的圓周運動。已知碳離子的質量為m=2.0×10-26kg，U=7.5×105V，B=0.50T，n=2，基元電荷e=1.6×10-19C，求R。,=0.75m ],,解：設碳離子到達b處時的速度為v1， 從c端射出時的速度為v2，由能量關系得：

7、 mv12/2=eU， mv22/2= mv12/2+neU， 進入磁場后，碳離子做圓周運動， R=mv2/Bne，得,=0.75m ],,三.速度選擇器,在電、磁場中，若不計重力，則：,1.速度選擇器只選擇速度，與電荷的正負無關；2.注意電場和磁場的方向搭配。,,速度選擇器：（1）任何一個正交的勻強磁場和勻強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（或者說沿

8、直線）通過速度選擇器。否則將發(fā)生偏轉。即有確定的入口和出口。（3）這個結論與粒子帶何種電荷、電荷多少都無關。,＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋,－ － － － ― ― ―,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向偏轉，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，而是一條復雜曲線；若大于這一速度，將向洛倫茲力方向偏轉，電場力將做負功，動能將減小，洛倫茲力也將減小，軌跡是一條復雜曲

9、線。,練習: 在兩平行金屬板間有正交的勻強電場和勻強磁場，一個帶電粒子垂直于電場和磁場方向射入場中，射出時粒子的動能減少了，為了使粒子射出時動能增加，在不計重力的情況下，可采取的辦法是：A.增大粒子射入時的速度B.減小磁場的磁感應強度C.增大電場的電場強度D.改變粒子的帶電性質,BC,四.磁流體發(fā)電機,等離子體——即高溫下電離的氣體，含有大量的帶正電荷和負電荷的微粒，總體是電中性的。,,,磁流體發(fā)電機,五、電磁流量計,,,若

10、管道為其他形狀,如矩形呢?,7、霍爾效應,例6：圖為一種獲得高能粒子的裝置。環(huán)行區(qū)域內存在垂直紙面向外的、大小可調節(jié)的均勻磁場。質量為m，電量為+q的粒子在環(huán)中做半徑為R的圓周運動。A、B為兩塊中心開有小孔的極板。原來電勢都為零，每當粒子飛經A板時，A板電勢升高為+U，B板電勢仍保持為零，粒子在兩板間的電場中得到加速。每當粒子離開B板時，A板電勢又降為零。粒子在電場中一次次加速下動能不斷增大，而半徑不變。（1）t=0時粒子靜止在A板小

11、孔處，在電場力作用下加速，并繞行第一圈。求　　 粒子繞行n圈回到A板時獲得的總動能EK總（2）為使粒子始終保持在半徑為R的圓軌道上運動，求粒子繞行第n圈時的磁 感應強度Bn（3）求粒子繞行n圈所需的總時間tn（設極板間距遠小于R）,例3：電視機的顯像管中，電子束的偏轉是用磁偏轉技術實現的。電子束經過電壓為U的加速電場后，進入一圓形勻強磁場區(qū)，如圖所示。磁場方向垂直于圓面。磁場區(qū)的中心為O，半徑為r。當不加磁場時

12、，電子束將通過O點而打到屏幕的中心M點。為了讓電子束射到屏幕邊緣P，需要加磁場，使電子束偏轉一已知角度θ，此時磁場的磁感應強度B應為多少？,,例5： 如圖，兩個共軸的圓筒形金屬電極，外電極接地，其上均勻分布著平行于軸線的四條狹縫ａ、ｂ、ｃ和ｄ，外筒的外半徑為ｒ０，在圓筒之外的足夠大區(qū)域中有平行于軸線方向的均勻磁場，磁感強度的大小為Ｂ。在兩極間加上電壓，使兩圓筒之間的區(qū)域內有沿向外的電場。一質量為ｍ、帶電量為＋ｑ的粒子，從緊靠內筒且正對狹