磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用質(zhì)譜儀和回旋加速器

1、磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用 1質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀和回旋加速器(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(dòng)，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(gè)D 形金屬扁盒

2、，粒子源，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(dòng)，其周期T =2m B q跟運(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)周期卻始終不變，這樣，如果在兩個(gè)D 形盒間形成一個(gè)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(shí)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

3、直紙面向里的勻強(qiáng)磁場區(qū)，其區(qū)域足夠大。某時(shí)刻從P 平面處由靜止釋放一個(gè)質(zhì)量為m 、帶電量為q 的帶負(fù)電粒子(不計(jì)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1r 1作圓周運(yùn)動(dòng)，并由A 1點(diǎn)自右向左射出Q 平面，此時(shí)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(dòng)，經(jīng)半個(gè)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A 1、A 2、A 3A n (1粒子第一次在Q 右側(cè)磁場區(qū)作圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r 1多大? (2設(shè)A n 與A n+1間的

4、距離小于r 1 /3,求n 的值?！纠}2】如圖為質(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(gè)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(jì)。求：（1）粒子從加速電場射出時(shí)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B 1的大小和方向。（3）偏

5、轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 2的大小。選擇【例題3】一束混合的離子束，先徑直穿過正交勻強(qiáng)電、磁場， 再進(jìn)入一個(gè)磁場區(qū)域后分裂成幾束，如圖所示，若粒子的重力不計(jì)，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 2【鞏固練習(xí)】1一帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng). 已知?jiǎng)驈?qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為0.8 T，a 、b 是帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡上的兩點(diǎn)，粒子從a 到b 的時(shí)間為1.2×10 s，從b 到a 的時(shí)間為0.8×10-6 s.則該粒子的質(zhì)量與其帶電荷量之比為（ ）A.1.25×10-5 kg/C C.4.

6、8×10 kg/C-6-6B.8.0×10-7 kg/C D.4.0×10 kg/C-62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(dòng)地向左加速運(yùn)動(dòng)，在加速運(yùn)動(dòng)階段（ ） A a 、b 一起運(yùn)動(dòng)的加速度減小 B a 、b 一起運(yùn)動(dòng)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,

7、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(jì)4有一勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場共存的場區(qū)，寬度d 8 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(dòng)，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，帶電粒子穿過場區(qū)后的側(cè)移為 _。5有一個(gè)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4×10，磁感強(qiáng)度2×102，磁場方向垂直紙面向里，當(dāng)一束質(zhì)荷比為4×1010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

8、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(shí)金屬板上就會(huì)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,

9、 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,3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(jì)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S 1、S 2，向下運(yùn)動(dòng)到兩極板P 1、P 2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(shí)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

10、S 3，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(dòng)，經(jīng)過半個(gè)圓周打到照相底片上D 1、D 2兩點(diǎn)，測量出S 3D 1=L1，S 3D 2=L2。試求這兩種離子的比荷。P 1 P 2 8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(dòng)時(shí)的周期與速度無關(guān)，回旋加速器的核心部分是兩個(gè)D 型金屬扁盒，如圖，盒正中央開有一條窄縫，在兩個(gè)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(gè)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(shí)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