選修3-1 磁場 課件 第5節(jié)洛倫茲力應(yīng)用

1、15 5 洛倫茲力的應(yīng)用洛倫茲力的應(yīng)用23o o+V VV VO O1 1R Rr rB Bm vRq Btan2qBrmvrtan2R4一、利用磁場控制帶電粒子的運動一、利用磁場控制帶電粒子的運動對于一帶電粒子（對于一帶電粒子（q q、m m一定），可以通過調(diào)節(jié)磁場一定），可以通過調(diào)節(jié)磁場B B和和粒子初速度粒子初速度v v的大小來控制粒子的偏轉(zhuǎn)角度的大小來控制粒子的偏轉(zhuǎn)角度.特點：特點：只改變粒子的運動方向，不改變粒子的速度只改變粒子的運動方向，不改變粒子的速度大小大小.5應(yīng)用：電視機顯像管中的電子在磁場中的偏轉(zhuǎn)應(yīng)用：電視機顯像管中的電子在磁場中的偏轉(zhuǎn)6北京正負電子對撞機北京正負電子對撞機

2、7北京正負電子對撞機裝置北京正負電子對撞機裝置(BEPC)(BEPC)正負電子在加速器中正負電子在加速器中運行軌跡示意圖運行軌跡示意圖8北京正負電子對撞機國家實驗室北京正負電子對撞機國家實驗室 學(xué)科方向?qū)W科方向 粒子加速器粒子加速器不僅是進行高能物理、原子物理、生命科不僅是進行高能物理、原子物理、生命科學(xué)、材料科學(xué)等多種基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要實驗裝置，而且學(xué)、材料科學(xué)等多種基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要實驗裝置，而且在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療和國防建設(shè)等方面也有廣泛的應(yīng)用前在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療和國防建設(shè)等方面也有廣泛的應(yīng)用前景景. . BEPC/BES BEPC/BES的成功建造和取得的物理成果，使中國成為的成功建造和

3、取得的物理成果，使中國成為世界上重要的高能物理實驗基地之一，在國際高能物理學(xué)世界上重要的高能物理實驗基地之一，在國際高能物理學(xué)界占有了一席之地界占有了一席之地. .到目前為止，到目前為止，BEPCBEPC對撞亮度在對撞亮度在-粲能粲能區(qū)仍居世界領(lǐng)先地位區(qū)仍居世界領(lǐng)先地位.BEPC.BEPC成功地用于同步輻射的實驗研究，成功地用于同步輻射的實驗研究，使高能所成為我國重要的同步輻射實驗基地之一使高能所成為我國重要的同步輻射實驗基地之一. .【背景材料】【背景材料】9二、回旋加速器二、回旋加速器10勞倫斯（勞倫斯（1901195819011958），美國物理學(xué)家），美國物理學(xué)家. . 1901190

4、1年年8 8月月8 8日出生于美國南達科他州的日出生于美國南達科他州的坎頓坎頓勞倫斯一生從事加速器技術(shù)，涉勞倫斯一生從事加速器技術(shù)，涉及核物理、生物學(xué)及核物理、生物學(xué)、化學(xué)化學(xué)、醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用方面的研究中的應(yīng)用方面的研究. .他對物理學(xué)最偉大他對物理學(xué)最偉大的貢獻就是發(fā)明了回旋加速器的貢獻就是發(fā)明了回旋加速器. .由于有了由于有了加速器，人們可以得到比天然放射性種加速器，人們可以得到比天然放射性種類更多類更多、能量更高能量更高、束流更強束流更強、便于控便于控制的各種粒子束，以從事各種實驗，這制的各種粒子束，以從事各種實驗，這項發(fā)明推動了原子核理論研究和應(yīng)用技項發(fā)明推動了原子核理論

5、研究和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展術(shù)的發(fā)展. .勞倫斯，勞倫斯，19391939年諾貝爾物理年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者學(xué)獎獲得者1112回旋加速器原理回旋加速器原理13分析：分析：（1 1）磁場的作用：帶電粒子以某一速度垂直磁場方）磁場的作用：帶電粒子以某一速度垂直磁場方向進入勻強磁場后，在洛倫茲力作用下做勻速圓周運向進入勻強磁場后，在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，其周期和速率、半徑均無關(guān)，帶電粒子每次進入動，其周期和速率、半徑均無關(guān)，帶電粒子每次進入D D形盒都運動相等的時間（半個周期）后平行于電場形盒都運動相等的時間（半個周期）后平行于電場方向進入電場中加速方向進入電場中加速. .（2 2）電場的作用：回旋

6、加速器的兩個）電場的作用：回旋加速器的兩個D D形盒之間的窄形盒之間的窄縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩D D形盒正對截面形盒正對截面的勻強電場，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時被加速的勻強電場，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時被加速. .14（3 3）交變電壓：為了保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫時）交變電壓：為了保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫時都被加速，使之能量不斷提高，需在窄縫兩側(cè)加上跟都被加速，使之能量不斷提高，需在窄縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在帶電粒子在D D形盒中運動周期相同的交變電壓形盒中運動周期相同的交變電壓15帶電粒子的最終能量由什么因素確定呢？帶電粒子的最終能量由什么因素確定呢？當(dāng)帶電

7、粒子的速度最大時，其運動半徑也最大，當(dāng)帶電粒子的速度最大時，其運動半徑也最大，由由r= r= 得得v= v= ，若，若D D形盒的半徑為形盒的半徑為R R，則帶電粒，則帶電粒子的最終動能：子的最終動能：222.2mq B REm所以，要提高加速粒子的最終能量，應(yīng)盡可能所以，要提高加速粒子的最終能量，應(yīng)盡可能增大磁感應(yīng)強度增大磁感應(yīng)強度B B和和D D形盒的半徑形盒的半徑R R mvqBrqBm16分析：分析：加速電壓越高，帶電粒子每次加速的動能增量加速電壓越高，帶電粒子每次加速的動能增量越大，回旋半徑也增加越大，導(dǎo)致帶電粒子在越大，回旋半徑也增加越大，導(dǎo)致帶電粒子在D D形盒中形盒中的回旋次數(shù)

8、越少；反之，加速電壓越低，帶電粒子在的回旋次數(shù)越少；反之，加速電壓越低，帶電粒子在D D形盒中回旋的次數(shù)越多，可見加速電壓的高低只影響形盒中回旋的次數(shù)越多，可見加速電壓的高低只影響帶電粒子加速的總次數(shù)，并不影響引出時的速度和相帶電粒子加速的總次數(shù)，并不影響引出時的速度和相應(yīng)的動能，由應(yīng)的動能，由 可知，增強可知，增強B B和增大和增大R R可提可提高加速粒子的最終能量，與加速電壓高低無關(guān)高加速粒子的最終能量，與加速電壓高低無關(guān) 為什么帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加為什么帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無關(guān)？速電壓無關(guān)？mRBqEm222217三、質(zhì)譜儀三、質(zhì)譜儀測定帶電

9、粒子荷質(zhì)比的儀器叫做質(zhì)譜儀測定帶電粒子荷質(zhì)比的儀器叫做質(zhì)譜儀.在化學(xué)在化學(xué)分析、原子核技術(shù)中有著重要的應(yīng)用分析、原子核技術(shù)中有著重要的應(yīng)用.質(zhì)譜儀的發(fā)明者阿斯頓（質(zhì)譜儀的發(fā)明者阿斯頓（ Francis Wi11iam Francis Wi11iam Aston 1877Aston 187719451945） 是英國物理學(xué)家，他長是英國物理學(xué)家，他長期從事同位素和質(zhì)譜的研究期從事同位素和質(zhì)譜的研究. .他首次制成了聚他首次制成了聚焦性能較高的質(zhì)譜儀，并用此來對許多元素的焦性能較高的質(zhì)譜儀，并用此來對許多元素的同位素及其豐度進行測量，從而肯定了同位素同位素及其豐度進行測量，從而肯定了同位素的普遍存

10、在的普遍存在. .同時根據(jù)對同位素的研究，他還同時根據(jù)對同位素的研究，他還提出了元素質(zhì)量的整數(shù)法則提出了元素質(zhì)量的整數(shù)法則. .因此他榮獲了因此他榮獲了19221922年的諾貝爾化學(xué)獎年的諾貝爾化學(xué)獎. .質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀18質(zhì)譜儀原理圖質(zhì)譜儀原理圖S S1 1S S2 2S S3 31.1.加速電場加速電場離子源產(chǎn)生的帶電粒子經(jīng)過離子源產(chǎn)生的帶電粒子經(jīng)過S S1 1、S S2 2之間的電場加速后，之間的電場加速后，有有 qU=qU=212m v2qvmU即粒子以速度即粒子以速度v v進入兩金屬進入兩金屬板之間的裝置板之間的裝置速度選擇速度選擇器器19質(zhì)譜儀原理圖質(zhì)譜儀原理圖S S1 1S S2

11、2S S3 32.2.速度選擇器速度選擇器兩金屬板間，有場強為兩金屬板間，有場強為E E、方向水、方向水平向右的勻強電場和與電場垂直且平向右的勻強電場和與電場垂直且垂直于紙面向外的磁感應(yīng)強度為垂直于紙面向外的磁感應(yīng)強度為B B的勻強磁場，帶電粒子在該區(qū)域，的勻強磁場，帶電粒子在該區(qū)域，水平方向受電場力和洛倫茲力作用水平方向受電場力和洛倫茲力作用（重力可忽略不計），當(dāng)（重力可忽略不計），當(dāng)Eq=qvB Eq=qvB 時，粒子做勻速直線運動，時，粒子做勻速直線運動，EvB由由 可見，粒子的速度大小可由可見，粒子的速度大小可由E E和和B B來控制來控制. .203.3.偏轉(zhuǎn)磁場偏轉(zhuǎn)磁場帶電粒子從帶

12、電粒子從P P點以速度點以速度v v垂直進垂直進入勻強磁場入勻強磁場B B0 0中中, ,做勻速圓周做勻速圓周運動，測量亮點到運動，測量亮點到P P點的距離，點的距離，就可求出比荷，由就可求出比荷，由m vRq B可得可得00qvEmRBRB BS S1 1S S2 2質(zhì)譜儀原理圖質(zhì)譜儀原理圖S S3 321一、帶電粒子在磁場中的運動：一、帶電粒子在磁場中的運動：平行磁感線進入：做勻速直線運動平行磁感線進入：做勻速直線運動.垂直磁感線進入：做勻速圓周運動垂直磁感線進入：做勻速圓周運動.qBmvr qBmT2周期：周期：半徑：半徑：22o o+V VV VO O1 1R Rr rB Bm vRq

13、 Btan2qBrmvrtan2R利用磁場控制帶電粒子的運動利用磁場控制帶電粒子的運動23二、質(zhì)譜儀：研究同位素（測荷質(zhì)比）的裝置，二、質(zhì)譜儀：研究同位素（測荷質(zhì)比）的裝置，由加速電場、速度選擇器由加速電場、速度選擇器、偏轉(zhuǎn)磁場組成偏轉(zhuǎn)磁場組成. .三、回旋加速器：使帶電粒子獲得高能量的裝置，三、回旋加速器：使帶電粒子獲得高能量的裝置，由由D D形盒形盒、高頻交變電場等組成高頻交變電場等組成. .241.1.如圖所示，在第如圖所示，在第象限內(nèi)有垂直于紙面向里的勻象限內(nèi)有垂直于紙面向里的勻強磁場，一對正、負電子分別以相同速率以與強磁場，一對正、負電子分別以相同速率以與x x軸軸成成3030角的方

14、向從原點射入磁場，則正角的方向從原點射入磁場，則正、負電子在負電子在磁場中運動的時間之比為磁場中運動的時間之比為( () )A A1212B B2121C C1 D1 D1111325解析：解析：由由T T 可知，正、負電子可知，正、負電子的運動周期相同，故所用時間之比等的運動周期相同，故所用時間之比等于軌跡對應(yīng)的圓心角之比于軌跡對應(yīng)的圓心角之比作出正、負電子運動軌跡如圖所示，作出正、負電子運動軌跡如圖所示，由幾何知識可得正電子運動的圓心角等于由幾何知識可得正電子運動的圓心角等于120120，負電子運，負電子運動的圓心角等于動的圓心角等于6060，而電荷在磁場中的運動時間，而電荷在磁場中的運動

15、時間t t 所以所以t t正正tt負負正正負負2121，故，故B B正確正確.A.A、C C、D D錯錯誤誤答案：答案：B B2 mqBT,2262.2.如圖所示是質(zhì)譜儀的工作原如圖所示是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖帶電粒子被加速電理示意圖帶電粒子被加速電場加速后，進入速度選擇器場加速后，進入速度選擇器速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強磁場和勻強電場的強度分別為磁場和勻強電場的強度分別為B B和和E.E.平板平板S S上有可讓粒子通過上有可讓粒子通過的狹縫的狹縫P P和記錄粒子位置的膠片和記錄粒子位置的膠片A A1 1A A2 2. .平板平板S S下方有磁感下方有磁感應(yīng)強度為應(yīng)強

16、度為B B0 0的勻強磁場下列表述正確的是的勻強磁場下列表述正確的是( () )27A A質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具B B速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向外速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向外C C能通過狹縫能通過狹縫P P的帶電粒子的速率等于的帶電粒子的速率等于D D粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P P，粒子的，粒子的比荷越小比荷越小EB28解析：解析：因同位素原子的化學(xué)性質(zhì)完全相同，無法用化學(xué)方因同位素原子的化學(xué)性質(zhì)完全相同，無法用化學(xué)方法進行分析，故質(zhì)譜儀就成為同位素分析的重要工具，法進行分析，故質(zhì)譜儀就成為同位素分析的重要工具，

17、A A正正確在速度選擇器中，帶電粒子所受電場力和洛倫茲力在粒確在速度選擇器中，帶電粒子所受電場力和洛倫茲力在粒子沿直線運動時應(yīng)等大反向，結(jié)合左手定則可知子沿直線運動時應(yīng)等大反向，結(jié)合左手定則可知B B正確再正確再由由qEqEqvBqvB有有v v ，C C正確在勻強磁場正確在勻強磁場B B0 0中中R R ， 所以所以 ，D D錯誤錯誤答案：答案：A A、B B、C C293.3.如圖所示，一束質(zhì)量、速度和電量不等的正離子垂直如圖所示，一束質(zhì)量、速度和電量不等的正離子垂直地射入勻強磁場和勻強電場正交的區(qū)域里，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有地射入勻強磁場和勻強電場正交的區(qū)域里，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有些離子保持原來的運動方向，未

18、發(fā)生任何偏轉(zhuǎn)如果讓些離子保持原來的運動方向，未發(fā)生任何偏轉(zhuǎn)如果讓這些不偏轉(zhuǎn)離子進入另一勻強磁場中，發(fā)現(xiàn)這些離子又這些不偏轉(zhuǎn)離子進入另一勻強磁場中，發(fā)現(xiàn)這些離子又分裂成幾束對這些進入后一磁場的離子，可得出結(jié)分裂成幾束對這些進入后一磁場的離子，可得出結(jié)論（論（ ）A A它們的動能一定各不相同它們的動能一定各不相同B B它們的電量一定各不相同它們的電量一定各不相同C C它們的質(zhì)量一定各不相同它們的質(zhì)量一定各不相同D D它們的電量與質(zhì)量之比一定各不相同它們的電量與質(zhì)量之比一定各不相同30即速度相同的粒子進入到后一磁場，由偏轉(zhuǎn)半徑即速度相同的粒子進入到后一磁場，由偏轉(zhuǎn)半徑r=r=不同，知它們的荷質(zhì)比一定

19、各不相同不同，知它們的荷質(zhì)比一定各不相同. .所以所以D D正確正確. . 答案：答案：D DqEqvB由由: :解析：解析：對在勻強電場和磁場正交區(qū)域內(nèi)保持原來的運動方向?qū)υ趧驈婋妶龊痛艌稣粎^(qū)域內(nèi)保持原來的運動方向的粒子，其電場力等于洛倫茲力的粒子，其電場力等于洛倫茲力EvB得得: :mvqB314.4.回旋加速器中磁場的磁感應(yīng)強度為回旋加速器中磁場的磁感應(yīng)強度為1T1T，用來加速，用來加速粒子時，電極應(yīng)采用多大頻率的交變電流？如果粒子時，電極應(yīng)采用多大頻率的交變電流？如果粒粒子在軌道半徑為子在軌道半徑為1m1m時被引出，時被引出，粒子具有的能量是多粒子具有的能量是多少電子伏？少電子伏？

20、(粒子是氦核粒子是氦核, ,其質(zhì)量為其質(zhì)量為m=4m=41.661.6610102727 kg kg，電荷量為，電荷量為q = 2q = 21.61.610101919 C) C)32粒子運動的速度為粒子運動的速度為解：解：交變電流的頻率為交變電流的頻率為61Bqf=7.7 10 HT2mzmvR=Bq根據(jù)qBRv=m22227m1q B RE =mv =4.82 10 ev22m33第2課時34四、磁流體發(fā)電機四、磁流體發(fā)電機等離子體等離子體即高溫下電離的氣體，含有大量即高溫下電離的氣體，含有大量的帶正電荷和負電荷的微粒，總體是呈電中性的帶正電荷和負電荷的微粒，總體是呈電中性的的.35新型的

21、磁流體發(fā)電機就是根據(jù)帶電粒子在洛新型的磁流體發(fā)電機就是根據(jù)帶電粒子在洛倫茲力作用下產(chǎn)生磁偏轉(zhuǎn)的原理制成的倫茲力作用下產(chǎn)生磁偏轉(zhuǎn)的原理制成的.36原理：原理：經(jīng)高溫電離了的等經(jīng)高溫電離了的等離子體氣體，高速通過磁離子體氣體，高速通過磁場時，在洛倫茲力作用下，場時，在洛倫茲力作用下，正離子會向左面電極偏轉(zhuǎn)，正離子會向左面電極偏轉(zhuǎn)，負離子會向右面電極偏轉(zhuǎn)，負離子會向右面電極偏轉(zhuǎn)，從而在兩極間形成電勢差，從而在兩極間形成電勢差，向外界提供可利用的電動向外界提供可利用的電動勢勢.37特點：特點：磁流體發(fā)電機只需進行一次能量轉(zhuǎn)換磁流體發(fā)電機只需進行一次能量轉(zhuǎn)換, ,即可即可發(fā)電發(fā)電. .從發(fā)電機中出來的熱

22、氣流還可以進行傳統(tǒng)的從發(fā)電機中出來的熱氣流還可以進行傳統(tǒng)的二次發(fā)電，比起傳統(tǒng)發(fā)電機，效率大為提高二次發(fā)電，比起傳統(tǒng)發(fā)電機，效率大為提高. .因此，因此，它是目前許多國家都在積極研制的一項高新技術(shù)它是目前許多國家都在積極研制的一項高新技術(shù). . 38設(shè)設(shè)ABAB兩金屬板相距為兩金屬板相距為L,L,等離等離子氣體噴入的速度為子氣體噴入的速度為v v，板間，板間磁感應(yīng)強度為磁感應(yīng)強度為B B，當(dāng)氣體通過，當(dāng)氣體通過ABAB板間時，在洛倫茲力的作板間時，在洛倫茲力的作用下，正負離子分別積聚在用下，正負離子分別積聚在兩板，形成電勢差兩板，形成電勢差. .當(dāng)離子受當(dāng)離子受力平衡時，有力平衡時，有,qEBq

23、vL即電動勢即電動勢E=BLv.E=BLv.39霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾（學(xué)家霍爾（E.H.HallE.H.Hall，1855192918551929）于）于18791879年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)的的. .當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng). .這個電勢差也被叫做霍爾電這個電勢差也被叫做霍爾電勢差勢差. .五、霍爾效應(yīng)五、霍爾效應(yīng)40設(shè)金屬塊的厚為設(shè)金屬塊的厚為h h，寬為，寬為d d，通過的電流強度為通過的電流強度為I I，磁感，磁感應(yīng)強度為應(yīng)強度為B B，電子定向移動，電子定向移動速度為速度為v v，該金屬電荷密度，該金屬電荷密度為為n n，電子電量為，電子電量為e e，因此，因此I=nehdvI=nehdv當(dāng)當(dāng)Eq=qvBEq=qvB時，電子沿直線通過金屬塊時，電子沿直線通過金屬塊. .上下表面電勢上下表面電勢 差達到一穩(wěn)定值差達到一穩(wěn)定值U.U.電勢差電勢差 U=Eh=vBh= U=Eh=vBh= ， = k= kI