第四单元、带电粒子在复合场中的运动.ppt

带电粒子在复合场中的运动,能忽略带电体重力的情况下（什么情况？），则只需考虑电场和磁场。这时有两种情况：,1、电场和磁场成独立区域,二力平衡-匀速直线运动,不平衡-复杂的曲线运动,2、电场和匀强磁场共存区域,处理方法：,例1、如图所示，一个带电粒子两次以同样的垂直于场线的初速度v0分别穿越匀强电场区和匀强磁场区，场区的宽度均为L偏转角度均为，求EB,注:在电场中射出速度方向的反向延长线过中点,但在磁场中不成立.,1、电场和磁场成独立区域,带电粒子在复合场中的运动,例2、如图，两个共轴的圆筒形金属电极，其上均匀分布着平行于轴线的四条狭缝、和，外筒的外半径为在圆筒之外的足够大区域中有平行于轴线方向的均匀磁场，磁感应强度大小为在两极间加上电压，使两筒之间的区域内有沿半径向外的电场一质量为、带电量的粒子，从紧靠内筒且正对狭缝的点出发，初速度为零如果该粒子经过一段时间的运动之后恰好又回到出发点S，则两极之间的电压U应是多少?（不计重力，整个装置在真空中）,带电粒子在复合场中的运动,电场力与洛仑兹力的比较,1、电场力与电荷的运动无关洛仑兹力与电荷的运动有关,2、电场力做功改变动能的大小洛仑兹力不做功，不会改变动能的大小即在两个力共同作用下，加速减速的原因肯定是电场力影响。,带电粒子在复合场中的运动,例2、如图所示，套在很长的绝缘直棒上的小球，质量为m，带电量为+q，小球可在直棒上滑动，将此棒竖直放在互相垂直，且沿水平方向的匀强磁场中，电场强度为E，磁场强度为B，小球与棒的动摩擦因素为，求：小球由静止沿棒下落的最大加速度和最大速度（设小球电量不变）,2、电场和匀强磁场共存区域,E,B,若电场方向水平向左呢?,带电粒子在复合场中的运动,1）速度选择器,带电粒子在复合场中的运动,3、实际应用,（1）任何一个正交的匀强磁场和匀强电场组成速度选择器。（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。否则将发生偏转。即有确定的入口和出口。（3）这个结论与粒子带何种电荷、电荷多少都无关。,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，粒子的轨迹既不是抛物线，也不是圆，而是一条复杂曲线；若大于这一速度，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。,例1、某带电粒子从图中速度选择器左端由中点O以速度v0向右射去，从右端中心a下方的b点以速度v1射出；若增大磁感应强度B，该粒子将打到a点上方的c点，且有ac=ab，则该粒子带电；第二次射出时的速度为。若要使粒子从a点射出,电场E=.,典型例题：速度选择器,例2、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,典型例题：速度选择器,2）质谱仪,思考：质谱仪的主要作用是什么？,测定带电粒子的质量和分析同位素,带电粒子在复合场中的运动,例1、如图，一质量为m，电荷量为q的粒子从容器A下方小孔S1飘入电势差为U的加速电场，然后让粒子垂直进入磁感应强度为B的磁场中，最后打到底片D上.(1)粒子在S1区做什么运动?(2)在S2区做何种运动，在S3区将做何种运动?(3)假如粒子沿一半圆运动打到底片D上，B距离D多远？,典型例题：质谱仪,3）回旋加速器,带电粒子在复合场中的运动,a、原理：磁场什么作用？使粒子在D形盒内。电场什么作用？重复多次对粒子。最终速度取决于什么量？,b、条件：,c、优点和缺点：,两个D形金属盒做外壳的作用是什么?,（1）带电粒子在D形金属盒内运动的轨道半径是不等距分布的,设粒子的质量为m，电荷量为q，两D形金属盒间的加速电压为U，匀强磁场的磁感应强度为B，粒子第一次进入D形金属盒，被电场加速1次，以后每次进入D形金属盒都要被电场加速2次。粒子第n次进入D形金属盒时，已经被加速（2n-1）次。,问题:带电粒子在D形金属盒内任意两个相邻的圆形轨道半径之比为多少?,可见带电粒子在D形金属盒内运动时，轨道是不等距分布的，越靠近D形金属盒的边缘，相邻两轨道的间距越小。,带电粒子在复合场中的运动,（2）带电粒子在回旋加速器内运动，决定其最终能量的因素,Ek=,可见，粒子获得的能量与回旋加速器的直径有关，直径越大，粒子获得的能量就越大。,（3）决定带电粒子在回旋加速器内运动时间长短的因素,带电粒子在复合场中的运动,例1、如图为处于真空室内的回旋加速器示意图，质量为m，带电量为q的带电粒子，刚进入两D形盒间隙时速度可忽略不计，D形盒间隙中加有电压为U的同步交变电压，能使带电粒子每经过D形盒的间隙就被加速一次，两D形盒中的匀强磁场使粒子在盒内作匀速圆周运动，最后达到较大的动能后从外侧出口处被引出进行科学如图实验。若D形盒的半径为R，垂直D形盒的匀强磁场磁感应强度为B，粒子所受重力忽略不计，粒子经过D形盒间隙的时间不计，求：（1）带电粒子被引出时的动能为多大？（2）带电粒子在加速器中被加速的次数及时间。,典型例题：回旋加速器,例2、一个回旋加速器，当外加电场的频率一定时，可以把质子的速率加速到v，质子所能获得的能量为E，则：这一回旋加速器能把粒子加速到多大的速度？这一回旋加速器能把粒子加速到多大的能量？这一回旋加速器加速粒子的磁感应强度跟加速质子的磁感应强度之比为？,典型例题：回旋加速器,4）磁流体发电机,Eq=Bqv,电动势：=Bdv,电流：I=/（R+r）,带电粒子在复合场中的运动,例1、如图所示的磁流体发电机，已知横截面积为矩形的管道长为l，宽为a,高为b，上下两个侧面是绝缘体，前后两个侧面是电阻可忽略的导体，分别与负载电阻R的一端相连，整个装置放在垂直于上、下两个侧面的匀强磁场中，磁感应强度为B。含有正、负带电粒子的电离气体持续匀速地流经管道，假设横截面积上各点流速相同，已知流速与电离气体所受的摩擦力成正比，且无论有无磁场存在时，都维持管两端电离气体的压强差为P。如果无磁场存在时电离气体的流速为v0，那么有磁场存在时，此磁液体发电机的电动势E的大小是多少？已知电离气体的平均电阻率为。,典型例题：磁流体发电机,5）电磁流量计,若管道为其他形状,如矩形呢?,带电粒子在复合场中的运动,例1、如图所示为一电磁流量计的示意图，截面为正方形的非磁性管，其边长为d，内有导电液体流动，在垂直液体流动方向加一指向纸里的匀强磁场，磁感应强度为B现测得液体a、b两点间的电势差为U，求管内导电液体的流量Q为多少？,典型例题：电磁流量计,例2、一种测量血管中血流速度的仪器原理如图所示，在动脉血管的左右两侧加有匀强磁场，上下两侧安装电极并连接电压表。设血管的直径是d，磁场的磁感强度为B，电压表测出的电压为U，则血流速度大小为多少？流量为多少？,由Eq=Bqv得：E=BV,U=Ed=BVd得：V=U/Bd,流量：Q=SV=dU/4B,典型例题：电磁流量计,例1、一个带电微粒在