洛仑兹力与现代技术.ppt

第五节洛仑兹力在现代技术中的运用 1 带电粒子q的初速度v方向与磁场B平行 洛伦兹力的大小为多少 2 带电粒子q的初速度v方向与磁场B垂直 洛伦兹力的大小为多少 一 带电粒子在磁场中的运动 1 v B 带电粒子f洛 0 则粒子做匀速直线运动 2 v B 带电粒子f洛 Bvq 则粒子做匀速圆周运动 回顾 匀速圆周运动的特点 规律思考 如果已知带电粒子的质量为m 速度为v 带电量为q 匀强磁场磁感强度为B 可以推导出粒子运动圆轨道半径r 运动周期T 结论 r mv BqT 2 m qB 一 速度选择器的工作原理 题 带电粒子 带正电 q以速度v垂直进入匀强电场 受电场力作用 运动方向将发生偏转 如图所示 若在匀强电场范围内再加一个匀强磁场 使该带电粒子的运动不偏转 求所加匀强磁场的方向和磁感应强度的大小 要点 疑点 考点 分析 电荷进入电场 受垂直向下的电场力作用而偏转 若使它不发生偏转 电荷受所加磁场的洛仑兹力方向一定与电场力方向相反 根据左手定则和洛仑兹力方向确定磁场方向 垂直纸面 背向读者 如图所示 因为f洛 F电 要点 疑点 考点 说明 若我们在该装置前后各加一块挡板 让电量相同的不同速度的带电粒子从前边挡板中小孔射入 经过匀强电场和磁场 只有其运动速度刚好满足f洛 F电的粒子运动轨迹不发生偏转 从第二块挡板上小孔中射出 改变匀强电场或匀强磁场的大小 就可以得到不同速度的带电粒子 这个装置就叫做速度选择器 v E B 问 若将一个能通过某速度选择器的正电荷换成一个电量相等速度不变的负电荷 它还能通过该速度选择器吗 为什么 答 能 因为虽然它所受电场力和洛仑兹力方向都与正电荷方向相反 但大小仍然相等 其合力仍然为零 所以能通过 要点 疑点 考点 二 质谱仪如图所示的是一种质谱仪的示意图 其中MN板的左方是带电粒子速度选择器 选择器内有正交的匀强磁场和匀强电场 一束有不同速率的正离子水平地由小孔进入场区 速度选择器 原理分析 讨论 1 若带电粒子带负电 会不会影响速度选择器对速度的选择 2 若把磁场或电场反向 会不会影响速度选择器对速度的选择 3 若把磁场和电场同时反向 会不会影响速度选择器对速度的 二 第六节洛沦兹力与现代技术 质谱仪 A 电离室 S1 S2 加速电场S2 S3 速度选择器 B 匀强磁场 D 照相底片 质谱线 从离子源中射出的带电粒子的电量相同 而质量有微小差别 由公式q m 2U B2r2 它们进入磁场后将沿不同的半径做圆周运动 打在照相底片的不同位置 在底片上形成若干谱线条的细条 叫质谱线 得用质谱线可以准确地测出各种同位素的原子量 1 速度选择部分 路径不发生偏转的离子的条件是Eq Bqv 即v E B 能通过速度选择器的带电粒子必是速度为该值的粒子 与它带多少电和电性 质量均无关 2 质谱仪部分 经过速度选择器后的相同速率的不同离子在右侧的偏转磁场中做匀速圆周运动 不同荷质比的离子轨道半径不同 P位置为照相底片记录粒子的位置 能求出x吗 x与哪些因素有关 要点 疑点 考点 三 磁流体发电机 霍尔效应 图所示的是磁流体发电机原理图 其原理是 等离子气体喷入磁场 正 负离子在洛伦兹力作用下发生上下偏转而聚集到两极板上 在两极板上产生电势差 设A B平行金属板的面积为S 相距L 等离子气体的电阻率为 喷入气体速度为v 板间磁场的磁感应强度为B 板外电阻为R 当等离子气体匀速通过A B板间时 A B板上聚集的电荷最多 板间电势差最大 即为电源电动势 此时离子受力平衡 Eq Bqv v E B 电动势E BLv 要点 疑点 考点 四 电磁流量计电磁流量计原理可解释为 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 要点 疑点 考点 导电液体中的自由电荷 正负离子 在洛伦兹力作用下纵向偏转 a b间出现电势差 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 由Bqv Eq Uq d 可得v U Bd 流量Q Sv dU 4B 说明 此类问题也可用电磁感应的相关知识进行处理 要点 疑点 考点 经速度选择器选中的速度相等 质量不等的粒子经偏转磁场后 由于半径不等而分开 其实质谱仪中也要用到速度选择器 如图 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 类似的还有磁流体发电机 等离子体喷入磁场区域 磁场区域中有两块金属板A和B 正 负离子在洛伦兹力作用下发生上 下偏转而聚集到A B板产生电势差 设B为磁感应强度 d为两板间距 v为喷射速度 最大电势差Um 则 如图 是用来测定导电液体在导管中流动时流量的仪器 设导管直径为d 用非磁性材料制成 磁感应强度为B a b间测出电势差为U 电磁流量计 则流量 霍耳效应 如图 厚度为h 宽度为d的导体板放在垂直于磁感强度为B的匀强磁场中 当电流通过导体板时 在导体上下侧面间会产生电势差 这种现象叫霍耳效应 稳定时 设电流强度为I 电荷定向移动速度为V 上下两侧电压为U 又 n为单位体积自由电荷数 2 式代入 1 式 k为霍耳系数 五 加速器回旋加速器的主要特征 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 与带电粒子的速度无关 将带电粒子在两盒狭缝之间的运动首尾连起来是一个初速为0的匀加速直线运动 带电粒子每经电场加速一次 回旋半径就增大一次 所有经过半径之比为1 这可由学生自己证明 对于同一回旋加速器 其粒子回旋的最大半径是相同的 解题时务必引起注意 要点 疑点 考点 回旋加速器 利用电压较低的高频电源 使粒子每隔一定的时间受到一次加速 经过多次加速后达到巨大速度 回旋加速器的主要构造 核心部分是两个D形的金属扁盒 整个装置放在巨大电磁铁的两极之间 两个D形盒分别接在频率为的高频电源的两极上 原理 要保证粒子沿着螺线回旋下去 速率一步一步地增大 交变电场的周期必须与粒子作匀速圆周运动周期相等 第六节洛沦兹力与现代技术 回旋加速器 1 加速电场的周期与带电粒子在D型盒中圆周运动周期相等 2 设D型盒最大半径R 则回旋加速器所能达到的最大动能为 六 直线加速器的主要特征 如图所示 直线加速器是使粒子在一条直线装置上被加速 要点 疑点 考点 例1 何为速度选择器 其工作原理如何 并列举几个物理模型与速度选择器相似的应用实例 解析 带电粒子垂直射入正交的匀强电场和匀强磁场的复合空间 所受电场力和洛伦兹力方向相反 大小相等 凡符合 1 式的粒子不发生偏转 顺利通过场区从O2孔出射 凡不符合 1 式的粒子将发生偏转 均不能从O2射出 即将的粒子选出 即 练习 1 数颗带电粒子从静止开始经同一电场加速后进入同一匀强磁场中 其速度方向均与磁场垂直 这些粒子在磁场中做圆周运动的半径均相同 则它们在磁场中具有 A 相同的动量大小B 相同的动能C 相同的荷质比D 相同的周期2 具有相同速度的质子 氘核和 粒子垂直于磁场方向飞入同一匀强磁场中 则 A 它们的轨道半径之比为1 2 2B 它们的向心加速度之比为2 1 1C 它们的向心力之比为1 1 2D 它们的周期之比为1 2 2 3 如图所示的是速度选择器示意图 若要正常工作 则以下论述正确的是 A P1的电势必须高于P2的电势B 磁感应强度B 电场强度E和被选择的粒子速率v应满足v BEC 从S2出来的只能是正电荷 不能是负电荷D 若把磁场和电场的方向都改变为原来的相反方向 速度选择器同样正常工作 案例1 已知氢核与氦核的质量之比m1 m2 1 4 电量之比q1 q1 1 2 1 当氢核与氦核以相同的速度 垂直于磁场方向射入磁场后 分别做匀速圆周运动 则氢核与氦核半径之比r1 r2 周期之比T1 T2 2 若它们以相同的动能射入磁场后 其半径之比r1 r2 周期之比T1 T2 学案基础练习 答案 1 1 21 2 2 1 11 2 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 例2 在图中所示的质谱仪中 速度选择器部分的匀强电场场强E 1 2 105V m 匀强磁场的磁感应强度为B 0 6T 偏转分离器的磁感应强度为B 0 8T 求 1 能通过速度选择器的粒子速度多大 2 质子和氘核进入偏转分离器后打在照相底片上的距离d为多少 质子质量为m 解析 粒子通过速度选择器时 所受电场力和磁场力方向相反 大小相等 粒子可匀速穿过速度选择器 由于质子和氘核以相同速度进入磁场后 做圆周运动的半径不同 打在以不同的条纹上 本质上来讲 也就是带电粒子在复合场中的运动 该类问题的关键是连接点的速度 1 能通过速度选择器的离子所受电场力和洛伦兹力相等且反向 即eBv eEv E B 2 5m s 2 粒子进入磁场B 后做圆周运动 洛伦兹力提供向心力 eB v mv2 RR mv B e设质子质量为m 则氘核质量为2m质子d 5 m e氘核d 1 106m e 例3 图所示为磁流体发电机的示意图 将气体加热到很高的温度 使它成为等离子体 含有大量正 负离子 让它以速度v通过磁感应强度为B的匀强磁场区 这里有间距为d的电极a和b 1 说明磁流体发电机的原理 2 哪个电极为正极 3 计算电极间的电势差 4 发电通道两端的压强差 解析 1 带电粒子进入磁场场后受到洛伦兹力的作用而向两个极板运动 在两个极板上积累的电荷越来越多 从而在两个极板间产生竖直方向的电场 且越来越强 最终后来的带电粒子受电场力和磁场力平衡后 沿直线匀速通过叠加场 而在两个极板间产生了持续的电势差 2 b板为电源正极 3 根据平衡时有库电场力 洛伦兹力 即Eq Bqv E U d 因此得U Bvd 即电动势 4 设负载电阻为R 电源内阻不计 通道横截面为边长等于d的正方形 入口处压强为p1 出口处压强为p2 当开关闭合后 发电机的电功率为P电 U2 R Bdv 2 R 根据能的转化与守恒定律有P电 F1v F2v 而F1 p1S F2 p2S 所以通道两端压强差 P p1 p2 B2v R 质量为m 带正电q的圆环套在杆上 杆与环间的动摩擦因数为环由静止开始下滑 求 1 速度多大时加速度最大 最大加速度多大 2 小球的最大速度是多少 在洛仑兹力作用下 带电体受力情况的变化 返回 返回 返回 返回 补充题 个长度逐个增大的金属圆筒和一个靶 它们沿轴线排列成一串 如图所示 各筒和靶相间地连接到频率为v 最大电压为U的正弦交流电源的两端 整个装置放在高真空容器中 圆筒的两底面中心开有小孔 现有一电量为q 质量为m的正离子沿轴线射入圆筒 并装圆筒及靶间的缝隙处受到电场力的作用而加速 设筒内部无电场 缝隙的宽度很小 离子穿过缝隙的时间可不计 已知离子进入第一个圆筒左端的速度为v1 且此时第一 第二两个圆筒间的电势差为U1 U2 U 为使打在靶上的离子获得最大能量 各个圆筒的长度应满足什么条件 并求出这种情况下打到靶上的离子的能量 解析 只有当离子在各筒内穿过的时间都为t T 2 1 2 时 离子才有可能每次通过圆筒间缝隙都被加速 这样第一个圆筒的长L1 v1t v1 2 当离子通过第一 二个圆筒间的缝隙时 两筒间电压为U 离子进入第二个圆筒时的动能就增加了qU 所以E2 mv21 2 qU v