鲁科版高中物理选修31课件63洛伦兹力的应用共16张PPT学习教案

1、会计学1 鲁科版高中物理选修鲁科版高中物理选修31课件课件63洛伦兹力洛伦兹力 的应用共的应用共16张张 2 2直线加速器，多级加速直线加速器，多级加速 如图所示是多级加速装置的原理图：如图所示是多级加速装置的原理图： 一、加速器一、加速器 第1页/共16页 )( 321nk UUUUqE 3 3直线加速器占有的空间范围大，在有限的空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间范围内制造直线加速器受到一定的限制 第2页/共16页 （二）、回旋加速器（二）、回旋加速器 V0 V1 V2 V3 V4 V5 1、带电粒子在两、带电粒子在两D形盒中回旋形盒中回旋 周周

2、 期等于两盒狭缝之间高频电场期等于两盒狭缝之间高频电场 的变化周期，粒子每经过一个的变化周期，粒子每经过一个 周期，被电场加速二次周期，被电场加速二次 2、将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接、将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接 起起 来是一个初速度为零的匀加速直线运动来是一个初速度为零的匀加速直线运动 3、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次，、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次， 每次增加的动能为每次增加的动能为 所有各次半径之比为：所有各次半径之比为：.321 4、对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半径是相同的。、对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半径是相同的。

3、5、回旋加速器的出现，使人类在获得具有较高能量的粒子的方面前进了一、回旋加速器的出现，使人类在获得具有较高能量的粒子的方面前进了一 大步，了解其它类型的加速器：大步，了解其它类型的加速器： 直线加速器、同步加速器、电子感应加速器、串列加速器、电子对撞机等直线加速器、同步加速器、电子感应加速器、串列加速器、电子对撞机等 qU K E m RqB mvE qB mv 22 1 R 222 2 由最大半径得： qU E n 2 回旋周数：nTt 所需时间： 第3页/共16页 第4页/共16页 二二、质谱仪质谱仪 1、质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具、质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素

4、的重要工具 2、基本原理、基本原理 将质量不等、电荷数相等的带电粒将质量不等、电荷数相等的带电粒 子经同一电场加速再垂直进入同一匀强子经同一电场加速再垂直进入同一匀强 磁场，由于粒子动量不同，引起轨迹半磁场，由于粒子动量不同，引起轨迹半 径不同而分开，进而分析某元素中所含径不同而分开，进而分析某元素中所含 同位素的种类同位素的种类 3、推导推导 2 1 2 qUmv加速： 1 2 mv Rd qB 偏转： 112 2 mU Rd Bq 第5页/共16页 例例1：关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，：关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述， 正确的是正确的是( ) A、电场和磁场都对带电粒子

5、起加速作用、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、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、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、磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动形盒中做匀速圆周运动 CD 第6页/共16页 U q S S1 x P B 例例2：质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素：质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素 的重要工具，它的构造原理如图，离子源的重要工具，它的构造原理如图，离子源S产生的各种不产生的各种不 同正离子束同正离子束(速度可看作为零速度可看作为零)，经加速电场加

6、速后垂直进，经加速电场加速后垂直进 入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在上，设离子在P 上的位置到入口处上的位置到入口处S1的距离为的距离为x，可以判断，可以判断( ) A、若离子束是同位素，则、若离子束是同位素，则x越大，离子质量越大越大，离子质量越大 B、若离子束是同位素，则、若离子束是同位素，则x越大，离子质量越小越大，离子质量越小 C、只要、只要x相同，则离子质量一定相同相同，则离子质量一定相同 D、只要、只要x相同，则离子的荷质比一定相同相同，则离子的荷质比一定相同 AD 第7页/共16页 例例3：串列加速器是用来产生高能离子的装置。

7、：串列加速器是用来产生高能离子的装置。 图中虚线框内为其主体的原理示意图，其中加速管图中虚线框内为其主体的原理示意图，其中加速管 的中部的中部b处有很高的正电势处有很高的正电势U，a、c两端均有电极接两端均有电极接 地（电势为零）。现将速度很低的负一价碳离子从地（电势为零）。现将速度很低的负一价碳离子从a 端输入，当离子到达端输入，当离子到达处时，可被设在处时，可被设在处的特殊处的特殊 装置将其电子剥离，成为装置将其电子剥离，成为n价正离子，而不改变其速价正离子，而不改变其速 度大小。这些正度大小。这些正n价碳离子从价碳离子从c端飞出后进入一与其端飞出后进入一与其 速度方向垂直的、磁感应强度为

8、速度方向垂直的、磁感应强度为B的匀强磁场中，在的匀强磁场中，在 磁场中做半径为磁场中做半径为R的圆周运动。已知碳离子的质量为的圆周运动。已知碳离子的质量为 m=2.010-26kg，U=7.5105V，B=0.50T，n=2，基，基 元电荷元电荷e=1.610-19C，求，求R。 a b c 加速管 加速管 ab C 加速管 加速管 第8页/共16页 解：设碳离子到达解：设碳离子到达b处时的速度为处时的速度为v1， ， 从 从c端射出时端射出时 的速度为的速度为v2，由能量关系得：，由能量关系得： mv12/2=eU， mv22/2= mv12/2+neU， 进入磁场后，碳离子做圆周运动，进入

9、磁场后，碳离子做圆周运动， R=mv2/Bne，得，得 a b c 加速管 加速管 ab C 加速管 加速管 211 0.75 mU n Rm Bne 第9页/共16页 qEqvB E v B 在电、磁场中，若不计重力，则：在电、磁场中，若不计重力，则： 速度选择器只选择速度，与电荷的正负无关；速度选择器只选择速度，与电荷的正负无关； 注意电场和磁场的方向搭配。注意电场和磁场的方向搭配。 第10页/共16页 速度选择器：速度选择器： （1）任何一个正交的匀强磁场和匀强电场组成速度选择器。）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）带电粒子必须以唯一确

10、定的速度 （包括大小、方向）才能匀速（或者说（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。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。）这个结论与粒子带何种电荷、电荷多少都无关。 v 若速度小于这一速度，电场力将大于洛伦兹力，带电粒子向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，而是一条复将增大，粒子的轨迹既不是抛物线

11、，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。杂曲线。 第11页/共16页 练习练习: : 在两平行金属板间有正交的匀强电场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，为了使粒子射出时动能增加，在不计重力 的情况下，

12、可采取的办法是：的情况下，可采取的办法是： A.A.增大粒子射入时的速度增大粒子射入时的速度 B.B.减小磁场的磁感应强度减小磁场的磁感应强度 C.C.增大电场的电场强度增大电场的电场强度 D.D.改变粒子的带电性质改变粒子的带电性质 BC 第12页/共16页 例：图为一种获得高能粒子的装置。环行区域内存在垂直纸面向外的、例：图为一种获得高能粒子的装置。环行区域内存在垂直纸面向外的、 大小可调节的均匀磁场。质量为大小可调节的均匀磁场。质量为m，电量为，电量为+q的粒子在环中做半径为的粒子在环中做半径为R的圆的圆 周运动。周运动。A、B为两块中心开有小孔的极板。原来电势都为零，每当粒子飞经为两块

13、中心开有小孔的极板。原来电势都为零，每当粒子飞经 A板时，板时，A板电势升高为板电势升高为+U，B板电势仍保持为零，粒子在两板间的电场中得板电势仍保持为零，粒子在两板间的电场中得 到加速。每当粒子离开到加速。每当粒子离开B板时，板时，A板电势又降为零。粒子在电场中一次次加速板电势又降为零。粒子在电场中一次次加速 下动能不断增大，而半径不变。下动能不断增大，而半径不变。 （1）t=0时粒子静止在时粒子静止在A板小孔处，在电场力作用下加速，并绕行第一圈。板小孔处，在电场力作用下加速，并绕行第一圈。 求求 粒子绕行粒子绕行n圈回到圈回到A板时获得的总动能板时获得的总动能EK总 总 （2）为使粒子始终

14、保持在半径为）为使粒子始终保持在半径为R的圆轨道上运动，求粒子绕行第的圆轨道上运动，求粒子绕行第n圈时的圈时的 磁磁 感应强度感应强度Bn （3）求粒子绕行）求粒子绕行n圈所需的总时间圈所需的总时间tn（设极板间距远小于（设极板间距远小于R） A A +U B 0 B O +U K EnqU 总 12 n nmU B Rq 111 2(1) 223 n m tR qUn 第13页/共16页 例：电视机的显像管中，电子束的偏转是用磁偏转技术实现的。电例：电视机的显像管中，电子束的偏转是用磁偏转技术实现的。电 子束经过电压为子束经过电压为U的加速电场后，进入一圆形匀强磁场区，如图所示的加速电场后，

15、进入一圆形匀强磁场区，如图所示 。磁场方向垂直于圆面。磁场区的中心为。磁场方向垂直于圆面。磁场区的中心为O，半径为，半径为r。当不加磁场时。当不加磁场时 ，电子束将通过，电子束将通过O点而打到屏幕的中心点而打到屏幕的中心M点。为了让电子束射到屏幕点。为了让电子束射到屏幕 边缘边缘P，需要加磁场，使电子束偏转一已知角度，需要加磁场，使电子束偏转一已知角度，此时磁场的磁感应，此时磁场的磁感应 强度强度B应为多少？应为多少？ 2 2 1 mveU R v mevB 2 R r 2 tan 2 21 tg e mU r B 第14页/共16页 例：例： 如图，两个共轴的圆筒形金属电极，外电极接地，其上均匀分如图，两个共轴的圆筒形金属电极，外电极接地，其上均匀分 布着平行于轴线的四条狭缝、和，外筒的外半径为布着平行于轴线的四条狭缝、和，外筒的外半径为 ，在圆 ，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，磁感强度的大小筒之外的足够大区域中有平行于轴线方向的均匀磁场，磁感强度的大小 为。