洛伦兹力实际应用

1、洛伦兹力实际应用洛伦兹力实际应用Bv0二、二、速度选择器、速度选择器、质谱仪质谱仪、磁流体发电、磁流体发电机机和回旋加速器和回旋加速器1速度选择器速度选择器(1)原理图：原理图：+ + + + + + + +v正交的电场和磁场，正交的电场和磁场，使得电荷所受的电使得电荷所受的电场力和洛伦兹力等场力和洛伦兹力等大反向，合力为零，大反向，合力为零，所以带电粒子做匀所以带电粒子做匀速直线运动。速直线运动。BEvqEqvB速度选择器速度选择器+BEv=E/BvE/BFfFf当当Ff时，时，EqBqv即：即：vE/B时，粒子作曲线运动。时，粒子作曲线运动。当当F=f时，时，Eq=Bqv即：即：v=E/B

2、时，粒子作匀速直线运动。时，粒子作匀速直线运动。当当Ff时，时，EqE/B时，粒子作曲线运动。时，粒子作曲线运动。v b 电势电势 b a 仅电流增大时，仅电流增大时， 增大增大其它条件不变，将铜板改为其它条件不变，将铜板改为NaCl的水溶液时，电势的水溶液时，电势 b aA只有正确只有正确 B正确正确 C 正确正确 D正确正确baBC20如图所示，厚度为如图所示，厚度为h宽度为宽度为d的导体板放在垂直于它的磁感强度为的导体板放在垂直于它的磁感强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下和下侧面侧面A之间会产生电势差，这种现

3、象称为霍耳效应实验表明，当之间会产生电势差，这种现象称为霍耳效应实验表明，当磁场不太强时，电势差磁场不太强时，电势差U、电流、电流I和磁感强度和磁感强度B的关系为的关系为U=KIB/d 式式中的比例系数中的比例系数k称为霍耳系数霍耳效应可解释如下：称为霍耳系数霍耳效应可解释如下： 外部磁场的洛仑兹力使运动的电子聚集在导体的一侧，在导体板外部磁场的洛仑兹力使运动的电子聚集在导体的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子施加与洛仑兹力方向相反的静电力当静电力与洛仑兹力达到平子施加与洛仑兹力方向相反的静电力当

4、静电力与洛仑兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差设电流衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差设电流I是由电是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为V，电量为，电量为e，试回答，试回答下列问题：下列问题：(1)达到稳定状态时，导体板上侧面达到稳定状态时，导体板上侧面A的电势的电势 下侧面下侧面A的电势的电势(填填“高于高于”、“低于低于”或或“等于等于”)(2)电子所受的洛仑兹力的大小为电子所受的洛仑兹力的大小为 (3)若导体板单位体积的电荷数为若导体板单位体积的电荷数为n，求霍耳系数求霍耳系数k的表达式的表达式k= ,6 6

5、回旋加速器回旋加速器 问题问题:为什么要制造加速器为什么要制造加速器? 在现代物理学中在现代物理学中,为了探索原子核的结构为了探索原子核的结构和得到各种元素的同位素和得到各种元素的同位素,研究人员需要大量研究人员需要大量的高能粒子去轰击原子核的高能粒子去轰击原子核,由此研究制造出能由此研究制造出能在实验室里产生大量高能粒子的加速器在实验室里产生大量高能粒子的加速器.加速器的种类加速器的种类 1.1.普通加速器普通加速器 2.2.直线加速器直线加速器 3.3.回旋加速器回旋加速器 一一.普通加速器普通加速器k2EmV21qU= = =+U+ 带电粒子通过普通加速器能获得的能量带电粒子通过普通加速

6、器能获得的能量EK一般只能达到几十万到几百万电子伏一般只能达到几十万到几百万电子伏(ev).获得的能量获得的能量: 不论哪种加速器不论哪种加速器都是靠电压产生的电都是靠电压产生的电场来对带电粒子加速场来对带电粒子加速.0Um UmU/vT2TU1234靶靶+二二.直线加速器直线加速器 直线加速器有多个加速直线加速器有多个加速电场电场,从而能使带电粒子获得从而能使带电粒子获得更大的能量更大的能量.A 思考思考: 带电粒带电粒子穿越第子穿越第n个圆筒个圆筒时的动能为多大时的动能为多大?m mk kn nq qU UE E = = 回旋加速器主要由回旋加速器主要由D形盒、强电磁铁、交变电源、形盒、强

7、电磁铁、交变电源、粒子源、引出装置等组成粒子源、引出装置等组成. 1.构造构造三三.回旋加速器回旋加速器U U BU U AABBA1A1B1B1+2.2.回旋加速器的原理回旋加速器的原理 思考题思考题1. 带电粒子在带电粒子在D形盒内做圆周运动形盒内做圆周运动的周期随半径的增大会不会发生变化的周期随半径的增大会不会发生变化?. ., ,= =: :以以不不会会发发生生变变化化所所速速度度和和半半径径无无关关动动的的周周期期与与粒粒子子运运动动的的粒粒子子做做圆圆周周运运可可知知由由公公式式答答，qBm2T 思考题思考题2. 带电粒子在带电粒子在D形盒内做圆周运动的周期形盒内做圆周运动的周期与

8、两与两D形盒所连接的高频交流电源的周期有什么关系形盒所连接的高频交流电源的周期有什么关系? 答答: 因为带电粒子在磁场中每运动半周加速一次因为带电粒子在磁场中每运动半周加速一次,加在两加在两D形盒间的电压要与带电粒子的运动同步形盒间的电压要与带电粒子的运动同步,所所以带电粒子运动的周期与高频交流电源的频率相等以带电粒子运动的周期与高频交流电源的频率相等. 思考题思考题3. 带电带电粒子的最高能量与粒子的最高能量与哪些因素有关？哪些因素有关？. ., , ,. .= = =: :. .= =, ,= =, ,: :有关有关和质量和质量以及电荷的电量以及电荷的电量强度强度磁感磁感形盒的半径形盒的半

9、径量与量与可见带电粒子获得的能可见带电粒子获得的能量为量为那么粒子获得的最大能那么粒子获得的最大能为为粒子运动的最大速度粒子运动的最大速度根据根据形盒的半径形盒的半径半径最大只能等于半径最大只能等于带电粒子做圆周运动的带电粒子做圆周运动的答答m mq qB BR RD Dm mR RB Bq qmVmVE Em mqBRqBRV VqBqBmVmVR RD Dm mm mm m22122221.在直线加速器中在直线加速器中,带电粒子获得的能量带电粒子获得的能量: Ek=nqU. 2.回旋加速器的主要构造：回旋加速器的主要构造：D形盒、强电磁铁、交变形盒、强电磁铁、交变电源、粒子源、引出装置电源

10、、粒子源、引出装置. 3.回旋加速器的加速条件：交流电源的周期与带电回旋加速器的加速条件：交流电源的周期与带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期相同粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期相同. 4.在回旋加速器中，带电粒子的最高能量为在回旋加速器中，带电粒子的最高能量为:m2RqBE222m= = 在带电粒子一定的条件下，在带电粒子一定的条件下，Em决定于决定于D形盒的形盒的最大半径和磁感应强度最大半径和磁感应强度.课堂小结课堂小结即时应用即时应用(即时突破，小试牛刀即时突破，小试牛刀)1.回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电极

11、相连接的两个是分别与高频交流电极相连接的两个D形金属盒，形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图垂直于盒底的匀强磁场中，如图357所示，要所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确的是的是()图图357A增大匀强电场间的加速电压增大匀强电场间的加速电压B增大磁场的磁感应强度增大磁场的磁感应强度C减小狭缝间的距离减小狭缝间的距离D增大增大D形金属盒的半径形金属盒的半径BD2用回旋加

12、速器来加速质子，为了使质子获得的用回旋加速器来加速质子，为了使质子获得的动能增加为原来的动能增加为原来的4倍，原则上可以采用下列哪几倍，原则上可以采用下列哪几种方法种方法()A将其磁感应强度增大为原来的将其磁感应强度增大为原来的2倍倍B将其磁感应强度增大为原来的将其磁感应强度增大为原来的4倍倍C将将D形盒的半径增大为原来的形盒的半径增大为原来的2倍倍D将将D形盒的半径增大为原来的形盒的半径增大为原来的4倍倍ACAC 例题回旋加速器中磁场的磁感应强度为例题回旋加速器中磁场的磁感应强度为1T1T，用以加速用以加速粒子时，电极应采用多大频率的交粒子时，电极应采用多大频率的交变电流？如果变电流？如果粒

13、子在轨道半径为粒子在轨道半径为1m1m时被引出，时被引出，粒子具有的能量是多少电子伏？粒子具有的能量是多少电子伏？ (粒子是粒子是氦核氦核, ,其质量为其质量为m = 4m = 41.661.6610102727 kg. kg.电荷量电荷量为为q = 2q = 21.61.610101919 C.) C.)Hz1067.7=Hz1066.1414.32106.121=m2Bq=T1=f：62719交交变变电电源源的的频频率率为为解解ev1082.4=J107.7=J1066.14211)106.12(=m2RBq=mV21=E.mqBR=V,qBmV=R712272192222m粒粒子子运运动

14、动的的速速度度为为根根据据 3回旋加速器的回旋加速器的D形盒半径为形盒半径为R=0.60 m，两盒间距，两盒间距为为d=0.01 cm，用它来加速质子时可使每个质子获得的最，用它来加速质子时可使每个质子获得的最大能量为大能量为4.0 MeV，加速电压为，加速电压为U=2.0104 V，求：，求： (1)该加速器中偏转磁场的磁感应强度该加速器中偏转磁场的磁感应强度B (2)质子在质子在D形盒中运动的时间形盒中运动的时间 (3)在整个加速过程中，质子在电场中运动的总时间在整个加速过程中，质子在电场中运动的总时间(已已知质子的质量为知质子的质量为m=1.6710 -27 kg质子的带电量质子的带电量

15、e=1. 6010 -19 C)三、带电粒子在复合场中运动的分析方法和思路三、带电粒子在复合场中运动的分析方法和思路1弄清复合场的组成一般有磁场、电场的复弄清复合场的组成一般有磁场、电场的复合，磁场、重力场的复合，磁场、电场、重力场合，磁场、重力场的复合，磁场、电场、重力场三者的复合三者的复合2正确进行受力分析，除重力、弹力、摩擦力正确进行受力分析，除重力、弹力、摩擦力外要特别注意静电力和磁场力的分析外要特别注意静电力和磁场力的分析3确定带电粒子的运动状态，注意运动情况和确定带电粒子的运动状态，注意运动情况和受力情况的结合受力情况的结合4对于粒子连续通过几个不同情况的场的问题，对于粒子连续通过

16、几个不同情况的场的问题，要分阶段进行处理要分阶段进行处理5画出粒子的运动轨迹，灵活选择不同的运画出粒子的运动轨迹，灵活选择不同的运动规律动规律(1)当带电粒子在复合场中做匀速直线运动时，当带电粒子在复合场中做匀速直线运动时，根据受力平衡列方程求解根据受力平衡列方程求解(2)当带电粒子在复合场中做匀速圆周运动时，当带电粒子在复合场中做匀速圆周运动时，应用牛顿定律结合圆周运动规律求解应用牛顿定律结合圆周运动规律求解(3)当带电粒子做复杂曲线运动时，一般用动能当带电粒子做复杂曲线运动时，一般用动能定理或能量守恒定律求解定理或能量守恒定律求解(4)对于临界问题，注意挖掘隐含条件对于临界问题，注意挖掘隐含条件特别提醒：特别提醒：(1)电子、质子、电子、质子、粒子等一般不计粒子等一般不计重力，带电小球、尘埃、液滴等带电颗粒一般重力，带电小球、尘埃、液滴等带电颗粒一般要考虑重力的作用要考虑重力的作用(2)注意重力、电场力做功与路径无关，洛伦兹注意重力、电场力做功与路径无关，洛伦兹力始终和运动方向垂直、永不做功的特点力始终和运动方向垂直、永不做功的特点2.如图如图3510所示，在圆形区域里，有匀强磁场，方所示，在圆形区域里，有匀强磁场，方向如图所示，有一束速率各不相同的质子自向如图所示，有一束速率各不相同的质子自