高中物理 第三章 磁场 5洛伦兹力的应用课件 教科版选修31.ppt

5洛伦兹力的应用 1 理解运动电荷垂直进入匀强磁场时 电荷在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动 知道利用磁场可以控制带电粒子的运动 能利用几何知识解决相关问题 2 了解带电粒子在磁场中的偏转规律在现代科学技术中的应用 如质谱仪 回旋加速器等 了解我国在高能物理领域中的科技发展状况 3 能应用所学知识解决电场 磁场和重力场的简单综合问题 如速度选择器 磁流体发电机 电磁流量计等 重点 v 垂直进入匀强磁场的带电粒子在磁场中做匀速圆周运动 f r 交点到切线的距离为半径 力的作用线的交点为圆心 圆心怎样确定 o v v o1 r r b 一 利用磁场控制带电粒子的运动 对于一带电粒子 q m一定 可以通过调节磁场b和粒子初速度v的大小来控制粒子的偏转角度 特点 只改变粒子的运动方向 不改变粒子的速度大小 应用 电视机显像管中的电子在磁场中的偏转 北京正负电子对撞机 北京正负电子对撞机装置 bepc 背景材料 北京正负电子对撞机国家实验室 bepcnationallaboratory 加速器中心 北京正负电子对撞机国家实验室 学科方向粒子加速器不仅是进行高能物理 原子物理 生命科学 材料科学等多种基础科学研究的重要实验装置 而且在工农业生产 医疗和国防建设等方面也有广泛的应用前景 bepc bes的成功建造和取得的物理成果 使中国成为世界上重要的高能物理实验基地之一 在国际高能物理学界占有了一席之地 到目前为止 bepc对撞亮度在 粲能区仍居世界领先地位 bepc成功地用于同步辐射的实验研究 使高能所成为我国重要的同步辐射实验基地之一 背景材料 二 质谱仪 测定带电粒子荷质比的仪器叫做质谱仪 在化学分析 原子核技术中有着重要的应用 质谱仪的发明者阿斯顿 franciswi11iamaston1877 1945 是英国物理学家 他长期从事同位素和质谱的研究 他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪 并用此来对许多元素的同位素及其丰度进行测量 从而肯定了同位素的普遍存在 同时根据对同位素的研究 他还提出了元素质量的整数法则 因此他荣获了1922年的诺贝尔化学奖 质谱仪 质谱仪原理图 s1 s2 s3 1 加速电场离子源产生的带电粒子经过s1 s2之间的电场加速后 有qu 即粒子以速度v进入两金属板之间的装置 速度选择器 质谱仪原理图 s1 s2 s3 2 速度选择器 两金属板间 有场强为e 方向水平向右的匀强电场和与电场垂直且垂直于纸面向外的磁感应强度为b的匀强磁场 带电粒子在该区域 水平方向受电场力和洛伦兹力作用 重力可忽略不计 当eq qvb时 粒子做匀速直线运动 由可见 粒子的速度大小可由e和b来控制 3 偏转磁场 带电粒子从p点以速度v垂直进入匀强磁场b0中 做匀速圆周运动 测量亮点到p点的距离 就可求出比荷 由 可得 s1 s2 质谱仪原理图 s3 三 回旋加速器 劳伦斯 1901 1958 美国物理学家 1901年8月8日出生于美国南达科他州的坎顿 劳伦斯一生从事加速器技术 涉及核物理 生物学 化学 医学和农业中的应用方面的研究 他对物理学最伟大的贡献就是发明了回旋加速器 由于有了加速器 人们可以得到比天然放射性种类更多 能量更高 束流更强 便于控制的各种粒子束 以从事各种实验 这项发明推动了原子核理论研究和应用技术的发展 劳伦斯 1939年诺贝尔物理学奖获得者 回旋加速器原理 分析 1 磁场的作用 带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后 在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动 其周期和速率 半径均无关 带电粒子每次进入d形盒都运动相等的时间 半个周期 后平行于电场方向进入电场中加速 2 电场的作用 回旋加速器的两个d形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两d形盒正对截面的匀强电场 带电粒子经过该区域时被加速 3 交变电压 为了保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速 使之能量不断提高 需在窄缝两侧加上跟带电粒子在d形盒中运动周期相同的交变电压 带电粒子的最终能量由什么因素确定呢 当带电粒子的速度最大时 其运动半径也最大 由r 得v 若d形盒的半径为r 则带电粒子的最终动能 所以 要提高加速粒子的最终能量 应尽可能增大磁感应强度b和d形盒的半径r 分析 加速电压越高 带电粒子每次加速的动能增量越大 回旋半径也增加越大 导致带电粒子在d形盒中的回旋次数越少 反之 加速电压越低 带电粒子在d形盒中回旋的次数越多 可见加速电压的高低只影响带电粒子加速的总次数 并不影响引出时的速度和相应的动能 由可知 增强b和增大r可提高加速粒子的最终能量 与加速电压高低无关 为什么带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关 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 总体是呈电中性的 新型的磁流体发电机就是根据带电粒子在洛伦兹力作用下产生磁偏转的原理制成的 原理 经高温电离了的等离子体气体 高速通过磁场时 在洛伦兹力作用下 正离子会向左面电极偏转 负离子会向右面电极偏转 从而在两极间形成电势差 向外界提供可利用的电动势 特点 磁流体发电机只需进行一次能量转换 即可发电 从发电机中出来的热气流还可以进行传统的二次发电 比起传统发电机 效率大为提高 因此 它是目前许多国家都在积极研制的一项高新技术 设ab两金属板相距为l 等离子气体喷入的速度为v 板间磁感应强度为b 当气体通过ab板间时 在洛伦兹力的作用下 正负离子分别积聚在两板 形成电势差 当离子受力平衡时 有 即电动势e blv 霍尔效应是磁电效应的一种 这一现象是美国物理学家霍尔 e h hall 1855 1929 于1879年发现的 当电流垂直于外磁场通过导体时 在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差 这一现象便是霍尔效应 这个电势差也被叫做霍尔电势差 五 霍尔效应 设金属块的厚为h 宽为d 通过的电流强度为i 磁感应强度为b 电子定向移动速度为v 该金属电荷密度为n 电子电量为e 因此i nehdv 当eq qvb时 电子沿直线通过金属块 上下表面电势差达到一稳定值u 电势差u eh vbh k 其中k称为霍尔系数 gv300数字高斯计 采用了霍尔效应原理制成的传感器 具有量程范围广 0 01mt到1 999t 的特征 并能够把直流磁场及交流磁场的磁通密度 即磁感应强度 显示在液晶画面上 是便携式特斯拉计 霍尔效应的应用 jlb 1系列霍尔电流传感器是应用霍尔效应原理开发的新一代电流传感器 能在电隔离条件下测量直流 交流 脉冲以及各种不规则波形的电流 六 电磁流量计 电磁流量计原理 如图所示 一圆形导管直径为d 用非磁性材料制成 其中有可以导电的液体向左流动 导电液体中的自由电荷 正负离子 正负电荷在洛伦兹力作用下发生偏转 在a b间产生电势差 设液体流动速度为v a b间的电势差为u 当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时a b间的电势差就保持稳定 有 液体的流量 一 带电粒子在磁场中的运动 平行磁感线进入 做匀速直线运动 垂直磁感线进入 做匀速圆周运动 周期 半径 二 质谱仪 研究同位素 测荷质比 的装置 由加速电场 速度选择器 偏转磁场组成 三 回旋加速器 使带电粒子获得高能量的装置 由d形盒 高频交变电场等组成 1 如图所示 在第 象限内有垂直于纸面向里的匀强磁场 一对正 负电子分别以相同速率以与x轴成30 角的方向从原点射入磁场 则正 负电子在磁场中运动的时间之比为 a 1 2b 2 1c 1 d 1 1 解析 由t 可知 正 负电子的运动周期相同 故所用时间之比等于轨迹对应的圆心角之比 作出正 负电子运动轨迹如图所示 由几何知识可得正电子运动的圆心角等于120 负电子运动的圆心角等于60 而电荷在磁场中的运动时间t 所以t正 t负 正 负 2 1 故b正确 a c d错误 答案 b 2 如图所示是质谱仪的工作原理示意图 带电粒子被加速电场加速后 进入速度选择器 速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为b和e 平板s上有可让粒子通过的狭缝p和记录粒子位置的胶片a1a2 平板s下方有磁感应强度为b0的匀强磁场 下列表述正确的是 a 质谱仪是分析同位素的重要工具b 速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外c 能通过狭缝p的带电粒子的速率等于d 粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝p 粒子的比荷越小 解析 因同位素原子的化学性质完全相同 无法用化学方法进行分析 故质谱仪就成为同位素分析的重要工具 a正确 在速度选择器中 带电粒子所受电场力和洛伦兹力在粒子沿直线运动时应等大反向 结合左手定则可知b正确 再由qe qvb有v c正确 在匀强磁场b0中r 所以 d错误 答案 a b c 3 如图所示 一束质量 速度和电量不等的正离子垂直地射入匀强磁场和匀强电场正交的区域里 结果发现有些离子保持原来的运动方向 未发生任何偏转 如果让这些不偏转离子进入另一匀强磁场中 发现这些离子又分裂成几束 对这些进入后一磁场的离子 可得出结论 a 它们的动能一定各不相同b 它们的电量一定各不相同c 它们的质量一定各不相同d 它们的电量与质量之比一定各不相同 即速度相同的粒子进入到后一磁场 由偏转半径r 不同 知它们的荷质比一定各不相同 所以d正确 答案 d 由 解析 对在匀强电场和磁场正交区域内保持原来的运动方向的粒子