磁場對運(yùn)動電荷的作用 質(zhì)譜儀和回旋加速器

1、 磁場對運(yùn)動電荷的作用質(zhì)譜儀和回旋加速器1質(zhì)譜儀(1)質(zhì)譜儀是測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具(2)質(zhì)譜儀的原理：如果容器A中含有電荷量相同而質(zhì)量有微小差別的粒子，它們經(jīng)過電勢差為U的電場加速后，垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，它們進(jìn)入磁場后將沿不同的半徑做圓周運(yùn)動，打到照相底片的不同地方，在底片上形成若干譜線狀的細(xì)線，叫做質(zhì)譜線每一條譜線對應(yīng)于一定的質(zhì)量，從譜線的位置可以知道圓周的半徑r，如果再已知帶電粒子的電荷量q，就可以算出它的質(zhì)量，所以這種儀器叫做質(zhì)譜儀，如圖所示即 2回旋加速器(1)回旋加速器是產(chǎn)生大量高能量的帶電粒子的實(shí)驗(yàn)設(shè)備(2)回旋加速器的構(gòu)造：兩個D形金屬扁盒，粒子

2、源，D形盒裝在真空容器中，巨大的電磁鐵，高頻電源，引出裝置(3)原理：帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動，其周期跟運(yùn)動速率和軌道半徑無關(guān)，對一定的帶電粒子和一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度來說，這個周期是恒定的因此，盡管粒子的速率和半徑一次比一次增大，運(yùn)動周期卻始終不變，這樣，如果在兩個D形盒間形成一個交變電場，使它也以相周的周期往復(fù)變化，那就可以保證粒子每經(jīng)過兩D形盒之間時都正好趕上適合的電場方向而被加速【例題1】如圖所示，相距為d的狹縫P、Q間存在著一勻強(qiáng)電場，電場強(qiáng)度為E，但方向按一定規(guī)律變化(電場方向始終與P、Q平面垂直)。狹縫兩側(cè)均有磁感強(qiáng)度大小為B、方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場區(qū)，其區(qū)域足夠大。某時

3、刻從P平面處由靜止釋放一個質(zhì)量為m、帶電量為q的帶負(fù)電粒子(不計重力)，粒子被加速后由A點(diǎn)進(jìn)入Q平面右側(cè)磁場區(qū)，以半徑r1作圓周運(yùn)動，并由A1點(diǎn)自右向左射出Q平面，此時電場恰好反向，使粒子再被加速而進(jìn)入P平面左側(cè)磁場區(qū)，作圓周運(yùn)動，經(jīng)半個圓周后射出P平面進(jìn)入PQ狹縫，電場方向又反向，粒子又被加速以后粒子每次到達(dá)PQ狹縫間，電場都恰好反向，使得粒子每次通過PQ間都被加速，設(shè)粒子自右向左穿過Q平面的位置分別是A1、A2、A3An(1)粒子第一次在Q右側(cè)磁場區(qū)作圓周運(yùn)動的半徑r1多大?(2)設(shè)An與An+1間的距離小于r1 /3,求n的值。加速電場速度選擇器偏轉(zhuǎn)磁場UGHMN+-+d【例題2】如圖為

4、質(zhì)譜儀原理示意圖，電荷量為q、質(zhì)量為m的帶正電的粒子從靜止開始經(jīng)過電勢差為U的加速電場后進(jìn)入粒子速度選擇器。選擇器中存在相互垂直的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場，勻強(qiáng)電場的場強(qiáng)為E、方向水平向右。已知帶電粒子能夠沿直線穿過速度選擇器，從G點(diǎn)垂直MN進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場，該偏轉(zhuǎn)磁場是一個以直線MN為邊界、方向垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場。帶電粒子經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁場后，最終到達(dá)照相底片的H點(diǎn)。可測量出G、H間的距離為l。帶電粒子的重力可忽略不計。求：（1）粒子從加速電場射出時速度v的大小。（2）粒子速度選擇器中勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B1的大小和方向。（3）偏轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B2的大小?！纠}3】一束混合的離子束，先徑直穿過正交勻強(qiáng)

5、電、磁場， 再進(jìn)入一個磁場區(qū)域后分裂成幾束，如圖所示，若粒子的重力不計，這分裂是因?yàn)椋?） A帶電性質(zhì)不同，有正離又有負(fù)離子 B質(zhì)量和電量的比值不同C速度不同 D以上答案均不正確【鞏固練習(xí)】1a、b是帶電粒子運(yùn)動軌跡上的兩點(diǎn)，粒子從a到b的時間為1.210-6 s，從b到a的時間為0.810-6 s.則該粒子的質(zhì)量與其帶電荷量之比為（ ）10-5 kg/C10-7 kg/C10-6 kg/C10-6 kg/C2如圖，a為帶正電的小物塊，b是一不帶電的絕緣物塊，a、b疊放于粗糙的水平地面上，地面上方有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場，現(xiàn)用水平恒力F拉b物塊，使a、b一起無相對滑動地向左加速運(yùn)動，在加速運(yùn)動

6、階段（ ）NBFbfaGIFEBIA a、b一起運(yùn)動的加速度減小 B a、b一起運(yùn)動的加速度增大C a、b物塊間的摩擦力減小 D a、b物塊間的摩擦力增大 3電磁炮是一種理想的兵器，它的主要原理如圖，利用這種裝置可以把質(zhì)量為2.0g的彈體(包括金屬桿EF的質(zhì)量)加速到6km/s,若這種裝置的軌道寬2m，長為100m，通過的電流為10A,則軌道間所加勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 T,磁場力的最大功率P= W(軌道摩擦不計)4有一勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場共存的場區(qū)，寬度d8 cm，一帶電粒子沿垂直電力線和磁感線方向射入場區(qū)后，恰可做直線運(yùn)動，若撤去磁場，帶電粒子穿過場區(qū)后向下側(cè)移了3.2 cm若撤去電場，帶電

7、粒子穿過場區(qū)后的側(cè)移為 _。5有一個長方體形的勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場區(qū)域，它的截面為邊長020的正方形，其電場強(qiáng)度為410，磁感強(qiáng)度2102，磁場方向垂直紙面向里，當(dāng)一束質(zhì)荷比為41010的正離子流以一定的速度從電磁場的正方形區(qū)域的邊界中點(diǎn)射入如圖所示，（1）要使離子流穿過電磁場區(qū)域而不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電場強(qiáng)度的方向如何?離子流的速度多大?（2）在離電磁場區(qū)域右邊界04處有與邊界平行的平直熒光屏若撤去電場，離子流擊中屏上點(diǎn)，若撤去磁場，離子流擊中屏上點(diǎn)，求間距離6目前,世界上正在研究的一種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)電機(jī),它可以把氣體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能,如圖5-6-13所示,表示出了它的發(fā)電原理:將一束等離子

8、體(即高溫下申離的氣體,含有大量的帶正電和帶負(fù)電的微粒,而從整體上呈中性),噴射入磁場,在場中有兩塊金屬極板A、B,這時金屬板上就會聚集電荷,產(chǎn)生電壓,如果射入磁場的離子體的速度為v,金屬平板的面積為S,極間距離為d,勻強(qiáng)磁場磁感強(qiáng)度為B,方向與v垂直,可調(diào)節(jié)的電阻R接在兩極之間,設(shè)電離氣體充滿兩極間的空間,其電阻率為.求（1）通過電阻R的電流的大小和方向. （2）兩板間的電壓.（3）兩極間的電場強(qiáng)度為最大的條件,以及最大電場強(qiáng)度值. 7如圖5-6-15所示為貝恩布里奇（Bainbridge）設(shè)計的用來測量同素荷質(zhì)比的儀器。有一束速度相同的同位素離子速（有兩種離子）以相同的速度通過狹縫S1、S

9、2，向下運(yùn)動到兩極板P1、P2之間，在這兩極板之間有垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，同時加一水平向右的勻強(qiáng)電場，電場強(qiáng)度為E，調(diào)節(jié)E、B，使離子沿著直線通過狹縫S3，然后進(jìn)入半圓形的勻強(qiáng)磁場區(qū)域，此區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，最后離子在此勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動，經(jīng)過半個圓周打到照相底片上D1、D2兩點(diǎn)，測量出S3D1=L1，S3D2=L2。試求這兩種離子的比荷。 P2P1A8回旋加速器是用來加速帶電粒子的裝置，它的工作原理是在勻強(qiáng)磁場中帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動時的周期與速度無關(guān)，回旋加速器的核心部分是兩個D型金屬扁盒，如圖，盒正中央開有一條窄縫，在兩個D型盒之間加交變電壓，于是在縫隙中形成交變電場，由于屏蔽作用，在D型盒內(nèi)部電場很弱，D型盒裝在真空容器中，整個裝置放在巨大電磁鐵的兩極之間，磁場方向垂直于D型盒的底面，只要在縫隙中的交變電場的頻率不變，便可保證粒子每次通過縫隙時總被加速，粒子的軌道不斷增大，并逐漸靠近D型盒邊緣，當(dāng)達(dá)到預(yù)期的速率后，再用特殊的裝置將它引出，在D型盒上半面中心出口A處有一正離子源，正離子的帶電量為q