洛倫茲力的應用

洛倫茲力的應用基本應用：利用磁場控制粒子的運動方向例：一.速度選擇器在電、磁場中，若不計重力，則：

在如圖所示的平行板器件中，電場強度E和磁感應強度B相互垂直，具有不同水平速度的帶電粒子射入后發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情況不同。這種裝置能把具有某一特定速度的粒子選擇出來，所以叫速度選擇器。

試求出粒子的速度為多少時粒子能沿虛線通過。1、若帶電粒子帶負電，會不會影響速度選擇器對速度的選擇？

2、若把磁場或電場反向，會不會影響速度選擇器對速度的選擇？

3、若把磁場和電場同時反向，會不會影響速度選擇器對速度的選擇？

洛倫茲力的應用（速度選擇器）【討論與交流】4、電場、磁場方向不變，粒子從右向左運動，能直線通過嗎？速度選擇器：

1.速度選擇器只選擇速度，與電荷的正負無關；2.

帶電粒子必須以唯一確定的速度（包括大小、方向）才能勻速（或者說沿直線）通過速度選擇器。否則偏轉(zhuǎn)。3.注意電場和磁場的方向搭配。

將向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)，電場力將做負功，動能將減小，洛倫茲力也將減小，軌跡是一條復雜曲線。若速度小于這一速度？電場力將大于洛倫茲力，帶電粒子向電場力方向偏轉(zhuǎn)，電場力做正功，動能將增大，洛倫茲力也將增大；若大于這一速度？速度選擇器—+BEv=E/Bv>E/BFfFf當F>f時，Eq>Bqv即：v<E/B時，粒子作曲線運動。當F=f時，Eq=Bqv即：v=E/B時，粒子作勻速直線運動。當F<f時，Eq<Bqv即：v>E/B時，粒子作曲線運動。v<E/B只要粒子速度滿足v=E/B，即使電性不同，比荷不同，也可以沿直線穿出右側小孔。而其他速率的粒子，要么上偏要么下偏，無法穿出右側小孔，因此達到了選擇某一速度的帶電粒子的目的。所以稱之為：“速度選擇器”。練習:在兩平行金屬板間有正交的勻強電場和勻強磁場，一個帶電粒子垂直于電場和磁場方向射入場中，射出時粒子的動能減少了，為了使粒子射出時動能增加，在不計重力的情況下，可采取的辦法是：A.增大粒子射入時的速度B.減小磁場的磁感應強度C.增大電場的電場強度D.改變粒子的帶電性質(zhì)BC2．如圖所示是粒子速度選擇器的原理圖，如果粒子所具有的速率v=E/B，那么:()A．帶正電粒子必須沿ab方向從左側進入場區(qū)，才能沿直線通過B.帶負電粒子必須沿ba方向從右側進入場區(qū)，才能沿直線通過C．不論粒子電性如何，沿ab方向從左側進入場區(qū)，都能沿直線通過D.不論粒子電性如何，沿ba方向從右側進入場區(qū)，都能沿直線通過例題.一個質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子,從容器下方的小孔S1飄入電勢差為U的加速電場,其初速度幾乎為零,然后經(jīng)過S3沿著與磁場垂直的方向進入磁感應強度為B的勻強磁場中,最后打到照相底片D上.(1)求粒子進入磁場時的速率(2)求粒子在磁場中運動的軌道半徑二、質(zhì)譜儀偏轉(zhuǎn)：質(zhì)譜儀最初是由湯姆生的學生阿斯頓設計的，他用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了氖20和氖22，證實了同位素的存在?，F(xiàn)在質(zhì)譜儀已經(jīng)是一種十分精密的儀器，是測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具。

改進的質(zhì)譜儀原理如圖所示，a為粒子加速器，電壓為U1；b為速度選擇器，磁場與電場正交，磁感應強度為B1，板間距離為d；c為偏轉(zhuǎn)分離器，磁感應強度為B2。今有一質(zhì)量為m、電量為+e的正電子(不計重力)，經(jīng)加速后，該粒子恰能通過速度選擇器，粒子進入分離器后做半徑為R的勻速圓周運動。求：(1)粒子的速度v為多少？(2)速度選擇器的電壓U2為多少？(3)粒子在B2磁場中做勻速圓周運動的半徑R為多大？三、加速器問題1：用什么方法可以加速帶電粒子?

利用加速電場可以加速帶電粒子+U+++問題2：要使一個帶正電粒子獲得更大的速度(能量)?

采用多個電場,使帶電粒子多級加速

采用上圖進行多級加速,真的可行嗎?有什么問題?如何改進?改進辦法：采用靜電屏蔽可以用金屬圓筒代替原來的極板．這樣，既可以在金屬圓筒的間隙處形成加速電場，又使得圓筒內(nèi)部的場強為零，從而消除了減速電場的不利影響．加速勻速進一步改進：為了簡化裝置，我們可用一個公用電源來提供各級的加速電壓．如果我們要加速一帶正電的粒子,若電源的極性保持恒定（始終為A正B負）,你認為這個粒子能夠“一路順風”,不斷加速嗎?

為了實現(xiàn)帶電粒子的多級加速，應該采用交變電源，使粒子進入每一級都能繼續(xù)加速。并且電源極性的變化還必須與粒子的運動配合默契，步調(diào)一致，即要滿足同步條件。（一）直線加速器多級直線加速器應具備的條件：筒間加速筒內(nèi)靜電屏蔽①利用電場加速帶電粒子；②通過多級加速獲得高能粒子；③將加速電場以外的區(qū)域靜電屏蔽；④采用交變電源提供加速電壓；⑤電場交替變化與帶電粒子運動應滿足同步條件．1．加速原理：利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電粒子的動能增加，qU=Ek．2．直線加速器，多級加速如圖所示是多級加速裝置的原理圖：六、加速器（一）、直線加速器

由動能定理得帶電粒子經(jīng)n極的電場加速后增加的動能為：3．直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制．1966年建成的美國斯坦福電子直線加速器管長3050米，電子能量高達22吉電子伏，脈沖電子流強約80毫安，平均流強為48微安。加利佛尼亞斯坦福大學的粒子加速器

直線加速器占地太大，能不能讓它小一點？1932年，美國物理學家勞侖斯發(fā)明了回旋加速器，從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進了一大步．為此，勞侖斯榮獲了諾貝爾物理學獎．（二）.回旋加速器如圖，回旋加速器的核心部分為D形盒，它的形狀有如扁圓的金屬盒沿直徑剖開的兩半，每半個都象字母"D"的形狀。兩D形盒之間留有窄縫，中心附近放置離子源（如質(zhì)子、氘核或α粒子源等）。在兩D形盒間接上交流電源于是在縫隙里形成一個交變電場。由于電屏蔽效應，在每個D形盒的內(nèi)部電場很弱。D形盒裝在一個大的真空容器里，整個裝置放在巨大的電磁鐵兩極之間的強大磁場中，這磁場的方向垂直于D形盒的底面。組成:①兩個D形盒②大型電磁鐵③高頻交流電源電場作用：用來加速帶電粒子磁場作用：用來使粒子回旋從而能被反復加速1、結構：2、原理交變電壓：保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫時都被加速。用磁場控制軌道、用電場進行加速問題1：粒子被加速后，運動速率和運動半徑都會增加，它的運動周期會增加嗎?問題2：在回旋加速器中，如果兩個D型盒不是分別接在高頻交流電源的兩極上，而是接在直流的兩極上，那么帶電粒子能否被加速？請在圖中畫出粒子的運動軌跡。

?

問題3：要使粒子每次經(jīng)過電場都被加速，應在電極上加一個

電壓。交變交變電壓的周期TE=粒子在磁場中運動的周期TB根據(jù)下圖，說一說為使帶電粒子不斷得到加速，提供的電壓應符合怎樣的要求？

問題4：回旋加速器加速的帶電粒子的最終能量由哪些因素決定?觀點1：認為電場是用來加速的，磁場是用來回旋的，最終的能量應與磁場無關。應與電場有關，加速電壓越高，粒子最終能量越高。對嗎？觀點2：∵運動半徑最大Rm=mVm/qB,得Vm=qBRm/m

∴半徑最大時，速度也應最大?！鄮щ娏Ｗ拥倪\動最大半徑等于D形盒的半徑時，粒子的速度達到最大。對嗎？問題5：已知D形盒的直徑為D，勻強磁場的磁感應強度為B，交變電壓的電壓為U，求：從出口射出時，粒子的速度v=?DV=？UB解：當粒子從D形盒出口飛出時，粒子的運動半徑=D形盒的半徑問題6：已知D形盒的直徑為D，勻強磁場的磁感應強度為B，交變電壓的電壓為U，求:(1)從出口射出時，粒子的動能Ek=?(2)要增大粒子的最大動能可采取哪些措施?DV=？UB問題7：D越大，EK越大，是不是只要D不斷增大，EK

就可以無限制增大呢?實際并非如此．例如：用這種經(jīng)典的回旋加速器來加速粒子，最高能量只能達到20MeV．這是因為當粒子的速率大到接近光速時，按照相對論原理，粒子的質(zhì)量將隨速率增大而明顯地增加，從而使粒子的回旋周期也隨之變化，這就破壞了加速器的同步條件．為了獲得更高能量的帶電粒子，人們又繼續(xù)尋找新的途徑．例如，設法使交變電源的變化周期始終與粒子的回旋周期保持一致，于是就出現(xiàn)了同步回旋加速器．除此之外，人們還設計制造出多種其它的新型加速器．目前世界上最大的加速器已能使質(zhì)子達到10000億eV(106MeV)以上的能量．美國費米實驗室加速器例1：關于回旋加速器中電場和磁場的作用的敘述，正確的是()A、電場和磁場都對帶電粒子起加速作用B、電場和磁場是交替地對帶電粒子做功的C、只有電場能對帶電粒子起加速作用D、磁場的作用是使帶電粒子在D形盒中做勻速圓周運動CD例2：質(zhì)量為m、帶電量為q的帶電粒子在回旋加速器中央狹縫的正中間由靜止釋放，在電場加速后進入磁感應強度為B的勻強磁場中做圓周運動，設電場的加速電壓為U，則粒子第一次做勻速圓周運動的軌道半徑R0=

，粒子在磁場中的周期T=

。交變電壓的周期T=?例3：一回旋加速器，可把質(zhì)子加速到v，使它獲得動能EK（1）能把α粒子加速到的速度為?（2）能把α粒子加速到的動能為?（3）加速α粒子的交變電場頻率與加速質(zhì)子的交變電場頻率之比為?2、交變電場的周期和粒子的運動周期T相同----保證粒子每次經(jīng)過交變電場時都被加速1、粒子在勻強磁場中的運動周期不變

三、回旋加速器小結3、帶電粒子每經(jīng)電場加速一次,回旋半徑就增大一次,每次增加的動能為各次半徑之比為4、粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定四、電磁流量計abvd如圖所示,一圓形導管直徑為d,用非磁性材料制成,其中有可以導電的液體向左流動,導電液體中的自由電荷(正負電荷)所受洛倫茲力的方向?正負電荷在洛倫茲力作用下將如何偏轉(zhuǎn)?a、b間是否存在電勢差?哪點的電勢高?當自由電荷所受電場力和洛倫茲力平衡時a、b間的電勢差就保持穩(wěn)定.絕緣材料V++++++------電磁流量計電磁流流量計絕緣材料++++++------abcV流體為：導電液體

目的：測流量例：假設流量計是如圖所示的一段非磁性材料制成的圓柱形的管道，相關參量如圖所示，內(nèi)徑為d，磁感應強度為B，求：若管壁上a、b兩點間電勢差為U，求流量Q。液體的流量:

厚度為h、寬度為d的金屬板放在垂直于磁感應強度為B的勻強磁場中，當電流流過導體板時，在導體板上下側面間會產(chǎn)生電勢差U，這種現(xiàn)象叫霍爾效應。五、霍爾效應上表面、下表面哪個面的電勢高?下表面流體為：定向移動的電荷Eq=qvBI=nqvSU=Eh電勢差是多少？思考：如果電流是正電荷定向移動形成的，則電勢哪端高？（非金屬）六、磁流體發(fā)電機

磁流體發(fā)電是一項新興技術，它可以把物體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能，右圖是它的示意圖，平行金屬板A、B之間有一個很強的磁場，將一束等粒子體（即高溫下電離的氣體，含有大量正、負帶電粒子）噴入磁場，AB兩板間便產(chǎn)生電壓。如果把AB和用電器連接，AB就是一個直流電源的兩個電極。_+++++++++++++------------燃燒室發(fā)電通道燃料和氧化劑磁流體發(fā)電機等離子體_+①正、負電荷在F洛作用下分別向B、A板聚集；K斷開時：②A、B間建立電場，有電勢差，電荷受F洛同時，還受F電；③隨電荷增多，電場增強，電勢差增大，F(xiàn)電增大；F洛F洛v二、磁流體發(fā)電機F洛vF電K斷開時