学教科版选修31 3.5洛伦兹力的应用 课件（3）（53张）.ppt

洛伦兹力的应用 基本应用 利用磁场控制粒子的运动方向 例 一 速度选择器 在电 磁场中 若不计重力 则 在如图所示的平行板器件中 电场强度e和磁感应强度b相互垂直 具有不同水平速度的带电粒子射入后发生偏转的情况不同 这种装置能把具有某一特定速度的粒子选择出来 所以叫速度选择器 试求出粒子的速度为多少时粒子能沿虚线通过 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选择 洛伦兹力的应用 速度选择器 讨论与交流 4 电场 磁场方向不变 粒子从右向左运动 能直线通过吗 速度选择器 1 速度选择器只选择速度 与电荷的正负无关 2 带电粒子必须以唯一确定的速度 包括大小 方向 才能匀速 或者说沿直线 通过速度选择器 否则偏转 3 注意电场和磁场的方向搭配 将向洛伦兹力方向偏转 电场力将做负功 动能将减小 洛伦兹力也将减小 轨迹是一条复杂曲线 若速度小于这一速度 电场力将大于洛伦兹力 带电粒子向电场力方向偏转 电场力做正功 动能将增大 洛伦兹力也将增大 若大于这一速度 速度选择器 当f f时 eq bqv即 v e b时 粒子作曲线运动 当f f时 eq bqv即 v e b时 粒子作匀速直线运动 当fe b时 粒子作曲线运动 只要粒子速度满足v e b 即使电性不同 比荷不同 也可以沿直线穿出右侧小孔 而其他速率的粒子 要么上偏要么下偏 无法穿出右侧小孔 因此达到了选择某一速度的带电粒子的目的 所以称之为 速度选择器 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 2 如图所示是粒子速度选择器的原理图 如果粒子所具有的速率v e b 那么 a 带正电粒子必须沿ab方向从左侧进入场区 才能沿直线通过b 带负电粒子必须沿ba方向从右侧进入场区 才能沿直线通过c 不论粒子电性如何 沿ab方向从左侧进入场区 都能沿直线通过d 不论粒子电性如何 沿ba方向从右侧进入场区 都能沿直线通过 例题 一个质量为m 电荷量为q的粒子 从容器下方的小孔s1飘入电势差为u的加速电场 其初速度几乎为零 然后经过s3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为b的匀强磁场中 最后打到照相底片d上 1 求粒子进入磁场时的速率 2 求粒子在磁场中运动的轨道半径 二 质谱仪 质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的 他用质谱仪发现了氖20和氖22 证实了同位素的存在 现在质谱仪已经是一种十分精密的仪器 是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具 改进的质谱仪原理如图所示 a为粒子加速器 电压为u1 b为速度选择器 磁场与电场正交 磁感应强度为b1 板间距离为d c为偏转分离器 磁感应强度为b2 今有一质量为m 电量为 e的正电子 不计重力 经加速后 该粒子恰能通过速度选择器 粒子进入分离器后做半径为r的匀速圆周运动 求 1 粒子的速度v为多少 2 速度选择器的电压u2为多少 3 粒子在b2磁场中做匀速圆周运动的半径r为多大 三 加速器 问题1 用什么方法可以加速带电粒子 利用加速电场可以加速带电粒子 问题2 要使一个带正电粒子获得更大的速度 能量 采用多个电场 使带电粒子多级加速 采用上图进行多级加速 真的可行吗 有什么问题 如何改进 改进办法 采用静电屏蔽可以用金属圆筒代替原来的极板 这样 既可以在金属圆筒的间隙处形成加速电场 又使得圆筒内部的场强为零 从而消除了减速电场的不利影响 加速 匀速 进一步改进 为了简化装置 我们可用一个公用电源来提供各级的加速电压 如果我们要加速一带正电的粒子 若电源的极性保持恒定 始终为a正b负 你认为这个粒子能够 一路顺风 不断加速吗 为了实现带电粒子的多级加速 应该采用交变电源 使粒子进入每一级都能继续加速 并且电源极性的变化还必须与粒子的运动配合默契 步调一致 即要满足同步条件 一 直线加速器 多级直线加速器应具备的条件 利用电场加速带电粒子 通过多级加速获得高能粒子 将加速电场以外的区域静电屏蔽 采用交变电源提供加速电压 电场交替变化与带电粒子运动应满足同步条件 1 加速原理 利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加 qu ek 2 直线加速器 多级加速如图所示是多级加速装置的原理图 六 加速器 一 直线加速器 由动能定理得带电粒子经n极的电场加速后增加的动能为 3 直线加速器占有的空间范围大 在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制 1966年建成的美国斯坦福电子直线加速器管长3050米 电子能量高达22吉电子伏 脉冲电子流强约80毫安 平均流强为48微安 加利佛尼亚斯坦福大学的粒子加速器 1932年 美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器 从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步 为此 劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖 二 回旋加速器 如图 回旋加速器的核心部分为d形盒 它的形状有如扁圆的金属盒沿直径剖开的两半 每半个都象字母 d 的形状 两d形盒之间留有窄缝 中心附近放置离子源 如质子 氘核或 粒子源等 在两d形盒间接上交流电源于是在缝隙里形成一个交变电场 由于电屏蔽效应 在每个d形盒的内部电场很弱 d形盒装在一个大的真空容器里 整个装置放在巨大的电磁铁两极之间的强大磁场中 这磁场的方向垂直于d形盒的底面 组成 两个d形盒 大型电磁铁 高频交流电源电场作用 用来加速带电粒子磁场作用 用来使粒子回旋从而能被反复加速 1 结构 2 原理 交变电压 保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速 用磁场控制轨道 用电场进行加速 问题1 粒子被加速后 运动速率和运动半径都会增加 它的运动周期会增加吗 问题2 在回旋加速器中 如果两个d型盒不是分别接在高频交流电源的两极上 而是接在直流的两极上 那么带电粒子能否被加速 请在图中画出粒子的运动轨迹 问题3 要使粒子每次经过电场都被加速 应在电极上加一个电压 交变 交变电压的周期te 粒子在磁场中运动的周期tb 根据下图 说一说为使带电粒子不断得到加速 提供的电压应符合怎样的要求 问题4 回旋加速器加速的带电粒子的最终能量由哪些因素决定 观点1 认为电场是用来加速的 磁场是用来回旋的 最终的能量应与磁场无关 应与电场有关 加速电压越高 粒子最终能量越高 对吗 观点2 运动半径最大rm mvm qb 得vm qbrm m 半径最大时 速度也应最大 带电粒子的运动最大半径等于d形盒的半径时 粒子的速度达到最大 对吗 问题5 已知d形盒的直径为d 匀强磁场的磁感应强度为b 交变电压的电压为u 求 从出口射出时 粒子的速度v 解 当粒子从d形盒出口飞出时 粒子的运动半径 d形盒的半径 问题6 已知d形盒的直径为d 匀强磁场的磁感应强度为b 交变电压的电压为u 求 1 从出口射出时 粒子的动能ek 2 要增大粒子的最大动能可采取哪些措施 实际并非如此 例如 用这种经典的回旋加速器来加速粒子 最高能量只能达到20mev 这是因为当粒子的速率大到接近光速时 按照相对论原理 粒子的质量将随速率增大而明显地增加 从而使粒子的回旋周期也随之变化 这就破坏了加速器的同步条件 为了获得更高能量的带电粒子 人们又继续寻找新的途径 例如 设法使交变电源的变化周期始终与粒子的回旋周期保持一致 于是就出现了同步回旋加速器 除此之外 人们还设计制造出多种其它的新型加速器 目前世界上最大的加速器已能使质子达到10000亿ev 106mev 以上的能量 美国费米实验室加速器 例1 关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述 正确的是 a 电场和磁场都对带电粒子起加速作用b 电场和磁场是交替地对带电粒子做功的c 只有电场能对带电粒子起加速作用d 磁场的作用是使带电粒子在d形盒中做匀速圆周运动 cd 例2 质量为m 带电量为q的带电粒子在回旋加速器中央狭缝的正中间由静止释放 在电场加速后进入磁感应强度为b的匀强磁场中做圆周运动 设电场的加速电压为u 则粒子第一次做匀速圆周运动的轨道半径r0 粒子在磁场中的周期t 交变电压的周期t 例3 一回旋加速器 可把质子加速到v 使它获得动能ek 1 能把 粒子加速到的速度为 2 能把 粒子加速到的动能为 3 加速 粒子的交变电场频率与加速质子的交变电场频率之比为 2 交变电场的周期和粒子的运动周期t相同 保证粒子每次经过交变电场时都被加速 1 粒子在匀强磁场中的运动周期不变 三 回旋加速器小结 3 带电粒子每经电场加速一次 回旋半径就增大一次 每次增加的动能为 各次半径之比为 4 粒子加速的最大速度由盒的半径决定 四 电磁流量计 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 正负电荷 所受洛伦兹力的方向 正负电荷在洛伦兹力作用下将如何偏转 a b间是否存在电势差 哪点的电势高 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 电磁流量计 电磁流流量计 流体为 导电液体 目的 测流量 例 假设流量计是如图所示的一段非磁性材料制成的圆柱形的管道 相关参量如图所示 内径为d 磁感应强度为b 求 若管壁上a b两点间电势差为u 求流量q 液体的流量 厚度为h 宽度为d的金属板放在垂直于磁感应强度为b的匀强磁场中 当电流流过导体板时 在导体板上下侧面间会产生电势差u 这种现象叫霍尔效应 五 霍尔效应 上表面 下表面哪个面的电势高 下表面 流体为 定向移动的电荷 电势差是多少 思考 如果电流是正电荷定向移动形成的 则电势哪端高 非金属 六 磁流体发电机 磁流体发电是一项新兴技术 它可以把物体的内能直接转化为电能 右图是它的示意图 平行金属板a b之间有一个很强的磁场 将一束等粒子体 即高温下电离的气体 含有大量正 负带电粒子 喷入磁场 ab两板间便产生电压 如果把ab和用电器连接 ab就是一个直流电源的两个电极 磁流体发电机 正 负电荷在f洛作用下分别向b a板聚集 k断开时 a b间建立电场 有电势差 电荷受f洛同时 还受f电 随电荷增多 电场增强 电势差增大 f电增大 v 二 磁流体发电机 k断开时 当f电 f洛时 电荷不再偏转 ab间电势差稳定 又 外电路断路 此时uba e e场q qvb v k闭合时 通过r的电流竖直向上 ab上电荷减少 e场 f电 电荷受力不平衡 继续偏转补充 达动态平衡 磁流体发电机 稳定时 eq qvb 电动势 e ed vdb 电流 i e r r 1 图中ab板哪一个是电源的正极 2 此发电机的电动势 两板距离为d 磁感应强度为b 等离子速度为v 电量为q 图示为磁流