洛伦兹力的应用(精品)

1、一、利用磁场控制带电粒子的运动一、利用磁场控制带电粒子的运动 设真空条件下，匀强磁场限定在一个圆形区域内，该圆形的半径为r，磁感应强度大小为B，方向如图3-5-1所示。 一个初速度大小为v0带电粒子（m,q），沿磁场区域的直径方向从P点射入磁场，粒子在洛伦兹力作用下，在磁场中以半径为R绕O点做匀速圆周运动，从Q点射出磁场时，速度大小仍是v0，但速度方向已发生了偏转。 设粒子射出磁场时的速度方向与射入磁场时相比偏转了角，由图中所示的几何关系可以看出Rr2tan式中匀速圆周运动的半径 ,所以上式可写为qBmvR002tanmvqBr 可见，对于一定的带电粒子（m,q一定），可以通过调节B和v0大小

2、来控制粒子的偏转角度. 利用磁场控制粒子的运动方向的特点是：只改变带电粒子的运动方向，不改变带电粒子的速度大小。 例1.垂直纸面向外的匀强磁场仅限于宽度为d的条形区域内，磁感应强度为B一个质量为m、电量为q的粒子以一定的速度垂直于磁场边界方向从点垂直飞入磁场 区，如图所示，当它飞 离磁场区时，运动方向 偏转角试求粒子的 运动速度v以及在磁场中 运动的时间t例2 . 图中MN表示真空室中垂直于纸面的平板，它的一侧有匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里，磁感应强度大小为B 。一带电粒子从平板上的狭缝O处以垂直于平板的初速v射入磁场区域，最后到达平板上的P 点。已知B 、v以及P 到O的距离l 不计重力,

3、求此粒子的电荷q与质量m 之比。POMNBvl解：粒子初速解：粒子初速v垂直于磁场，粒子在磁场中受洛伦兹力而做匀垂直于磁场，粒子在磁场中受洛伦兹力而做匀速圆周运动，设其半径为速圆周运动，设其半径为R ， 由洛伦兹力公式和牛顿第二定律，有由洛伦兹力公式和牛顿第二定律，有 qvB=mv2/R 因粒子经因粒子经O点时的速度垂直于点时的速度垂直于OP 故故OP 是直径，是直径，l=2R 由此得由此得 q/m=2vBl 二、质谱仪二、质谱仪 电荷量、质量是带电粒子的两个最基本的参量，带电粒子的电荷量与质量之比，叫做比荷（也叫荷质比） 荷质比的测定对研究带电粒子的组成和结构具有重大意义. 测定带电粒子荷质

4、比的仪器叫做质谱仪（mass spectrometer）如图3-5-3质谱仪的原理图 讨论与交流1.在S1、S2之间粒子作什么运动？2.粒子经S2进入并能从S3穿出，则在这之间作什么运动？3.粒子在S2、S3之间受到几个力？（重力不计）4.作匀速直线运动的条件是什么 ？5.通过分析则进入B2区的粒子的速度的大小? LBBERBvmqqBmvR21222 式中的E、B1、B2和L都可以预先设定或实验测定，则带电粒子的荷质比也就测出来了.S2、S3间：带电粒子所受电场力与洛伦兹力平衡，粒子沿直线S2、S3进入B2区，即在B2区，粒子做圆周运动发生偏转化简解得：理论分析：理论分析：1qvBqE 2q

5、BmvR 三、高能物理研究重要装置三、高能物理研究重要装置加速器加速器应用实例流程图:低速轻核高速轻核钴核中子新核重核肿瘤汽化镍核2回旋加速器回旋加速器 1直线加速器直线加速器 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=qU= E Ek k2.直线加速器，多级加速 如图所示是多级加速装置的原理图：（一）、直线加速器（一）、直线加速器 19311931年，加利福尼亚大学的劳伦斯斯提出了一个卓越的思年，加利福尼亚大学的劳伦斯斯提出了一个卓越的思想，通过磁场的作用迫使带电粒子沿着磁极之间做螺旋线运想，通过磁场的作用迫使带电粒子沿着磁极之间做螺旋线运动动, ,把长长的电极像

6、卷尺那样卷起来，发明了回旋加速器，第把长长的电极像卷尺那样卷起来，发明了回旋加速器，第一台直径为一台直径为27cm27cm的回旋加速器投入运行，它能将质子加速到的回旋加速器投入运行，它能将质子加速到1Mev1Mev。19391939年劳伦斯获诺贝尔物理奖。年劳伦斯获诺贝尔物理奖。（二）、回旋加速器（二）、回旋加速器 3-5-4 回旋加速器原理1. 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，并在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期和速率、场后，并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，带电粒子每次进入半径均

7、无关，带电粒子每次进入D D形盒都运动相等的时间（半形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场中加速个周期）后平行电场方向进入电场中加速2. 2.电场的作用：回旋加速器的两个电场的作用：回旋加速器的两个D D形盒之间的窄缝区域存在形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两周期性变化的并垂直于两D D形盒正对截面的匀强电场，带电粒形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速子经过该区域时被加速3. 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，须在窄缝两侧加上跟带电粒子在之能量不断提高，须在窄缝两侧

8、加上跟带电粒子在D D形盒中运形盒中运动周期相同的交变电压动周期相同的交变电压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？mRBqEm2222 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解析： 加速电压越高，带电粒子每次加速的动能增量越大，回旋半径也增加越多，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，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 课堂小结课堂小结一、带电粒子在磁场中的运动一、带电粒子在磁场中的运动平行磁感线进入：做匀速直线运动平行磁感线进入：做匀速直线运动垂直

9、磁感线进入：做匀速圆周运动垂直磁感线进入：做匀速圆周运动半径：半径：RmvqB周期：周期：T2m qB二、质谱仪：研究同位素（测荷质比）的装置二、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三、回旋加速器：使带电粒子获得高能量的装置由由D D形盒、高频交变电场等组成形盒、高频交变电场等组成发展发展空间空间四、磁流体发电机四、磁流体发电机 磁流体发电机是目前世界上正在研究开发的一种新型发电机. 磁流体发电的原理如图3-5-7所示，把等离子体喷入磁场，带电粒子就会发生偏转，正离子聚集到B板，自

10、由电子聚集到A板，A、B间产生一定的电势差，就成为磁流体发电机，在A、B之间接上负载R，就可产生电流。磁流体发电是一项新兴技术，1MW的磁流体发电机已进行运行试验.发展发展空间空间五、高能加速器和对撞机五、高能加速器和对撞机 在对物质微观结构的研究中，研究的物质结构越深入，所需的能量就越高。 高能加速器和高能粒子对撞机可以把微观物质如氢原子核（质子）和带电的基本粒子如电子等加速到接近真空中的光速，使它们具有很高的能量，像枪弹一样进入所要研究的微观物质或粒子内部，或将这些微观物质轰击成碎片，以便研究其内部构造。 但是，如何控制带电的高能粒子束，使它们能沿着预定的轨道去轰击目标或者使两束带电粒子沿

11、着预定的轨道相互碰撞（称为对撞）？这就需要磁场了。因为磁场对携带电荷的运动粒子存在洛伦兹力，只要调节产生洛伦兹力的磁场的强弱和方向，就可以控制带电粒子的运动方向。 中国科学院高能物理研究所的北京正负电子对撞机的探测器北京谱仪，它是利用磁场来控制电子、正电子和其他带电粒子的运动。北京正负电子对撞机国家实验室 BEPC National Laboratory加速器中心 1.1-1.4 GeV 注入器产生并加速正负电子的电子直线加速器北京正负电子对撞机国家实验室 BEPC National Laboratory 正负电子对撞机装置(BEPC)正负电子在加速器中运行轨迹示意图北京正负电子对撞机国家实验

12、室 BEPC National Laboratory 学科方向 粒子加速器是一门多专业的综合性学科，它涉及到加速器物理和许多高技术领域，其中包括射频、电磁场、电源、超高真空、精密机械、电子学、计算机及网络、自动控制、束流诊断、辐射防护、低温超导，等等。 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、辐照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。 由于BEPC成功建造和长期稳定运行，使高能所成为我国最有影响的加速器科学和技术的研究基地，培养和锻炼了一支加速器科技队伍，具备了开展加速器理论和技术研究所需