磁場對運動電荷的作用 質(zhì)譜儀和回旋加速器

1、 磁場對運動電荷的作用質(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，垂直進入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場，它們進入磁場后將沿不同的半徑做圓周運動，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驗設(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：帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動，其周期跟運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間存在著一勻強電場，電場強度為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)均有磁感強度大小為B、方向垂直紙面向里的勻強磁場區(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點進入Q平面右側(cè)磁場區(qū)，以半徑r1作圓周運動，并由A1點自右向左射出Q平面，此時電場恰好反向，使粒子再被加速而進入P平面左側(cè)磁場區(qū)，作圓周運動，經(jīng)半個圓周后射出P平面進入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的加速電場后進入粒子速度選擇器。選擇器中存在相互垂直的勻強電場和勻強磁場，勻強電場的場強為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點垂直MN進入偏轉(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?？蓽y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磁場的磁感應(yīng)強度B1的大小和方向。（3）偏轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強度B2的大小。【例題3】一束混合的離子束，先徑直穿過正交勻強

5、電、磁場， 再進入一個磁場區(qū)域后分裂成幾束，如圖所示，若粒子的重力不計，這分裂是因為（ ） 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)】1一帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動.已知勻強磁場的磁感應(yīng)強度大小為0.8 T，a、b是帶電粒子運動軌跡上的兩點，粒子從a到b的時間為1.2×10-6 s，從b到a的時間為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/CB.8.0×10-7 kg/CC.4.8×10-6 kg/CD.4.0×10-6 k

6、g/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動，在加速運動階段（ ）NBFbfaGIFEBIA a、b一起運動的加速度減小 B a、b一起運動的加速度增大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,則軌道間所加勻強磁場的磁感應(yīng)強度為 T,磁場力的最大功率P= W(軌

7、道摩擦不計)4有一勻強電場和勻強磁場共存的場區(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，帶電粒子穿過場區(qū)后的側(cè)移為 _。5有一個長方體形的勻強磁場和勻強電場區(qū)域，它的截面為邊長020的正方形，其電場強度為4×10，磁感強度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)域的邊界中點射入如圖所示，（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

8、界平行的平直熒光屏若撤去電場，離子流擊中屏上點，若撤去磁場，離子流擊中屏上點，求間距離6目前,世界上正在研究的一種新型發(fā)電機叫磁流體發(fā)電機,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,勻強磁場磁感強度為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

9、板間的電壓.（3）兩極間的電場強度為最大的條件,以及最大電場強度值. 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、S2，向下運動到兩極板P1、P2之間，在這兩極板之間有垂直紙面向外的勻強磁場，磁感應(yīng)強度為B，同時加一水平向右的勻強電場，電場強度為E，調(diào)節(jié)E、B，使離子沿著直線通過狹縫S3，然后進入半圓形的勻強磁場區(qū)域，此區(qū)域的磁感應(yīng)強度為B，最后離子在此勻強磁場中做勻速圓周運動，經(jīng)過半個圓周打到照相底片上D1、D2兩點，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磁場中帶電粒子做勻速圓周運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