高中物理洛倫茲力的應(yīng)用課件 新課標(biāo) 人教版 選修2-1

1、洛倫茲力的應(yīng)用,一、質(zhì)譜儀,1、質(zhì)譜儀是測(cè)量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具,2、基本原理,將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒子經(jīng)同一電場(chǎng)加速再垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，由于粒子動(dòng)量不同，引起軌跡半徑不同而分開(kāi)，進(jìn)而分析某元素中所含同位素的種類(lèi),3、推導(dǎo),,1．加速原理：利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正功使帶電粒子的動(dòng)能增加，qU=?Ek．,2．直線加速器，多級(jí)加速　　　如圖所示是多級(jí)加速裝置的原理圖：,二、加速器,（一）、直線加速器,由動(dòng)能定理

2、得帶電粒子經(jīng)n極的電場(chǎng)加速后增加的動(dòng)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．,（二）、回旋加速器,1、帶電粒子在兩D形盒中回旋周　　期等于兩盒狹縫之間高頻電場(chǎng)　　的變化周期，粒子每經(jīng)過(guò)一個(gè)　周期，被電場(chǎng)加速二次,2、將帶電粒子在狹縫之間的運(yùn)動(dòng)首尾連接起　來(lái)是一個(gè)初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng),3、帶電粒子每經(jīng)電場(chǎng)加速一次，回旋半徑就增大一次，　 每次增加的動(dòng)能為 所有各次

3、半徑之比為：,4、對(duì)于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半徑是相同的。,5、回旋加速器的出現(xiàn)，使人類(lèi)在獲得具有較高能量的粒子的方面前進(jìn)了一 大步，了解其它類(lèi)型的加速器：直線加速器、同步加速器、電子感應(yīng)加速器、串列加速器、電子對(duì)撞機(jī)等,小結(jié)：,回旋加速器利用兩D形盒窄縫間的電場(chǎng)使帶電粒子加速，利用D形盒內(nèi)的磁場(chǎng)使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，帶電粒子所能獲得的最終能量與B和R有關(guān)，與U無(wú)關(guān)．,例1：關(guān)于回旋加速器中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用的敘述，

4、正確的是( )A、電場(chǎng)和磁場(chǎng)都對(duì)帶電粒子起加速作用B、電場(chǎng)和磁場(chǎng)是交替地對(duì)帶電粒子做功的C、只有電場(chǎng)能對(duì)帶電粒子起加速作用D、磁場(chǎng)的作用是使帶電粒子在D形盒中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),CD,例2：質(zhì)譜儀是一種測(cè)定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具，它的構(gòu)造原理如圖，離子源S產(chǎn)生的各種不同正離子束(速度可看作為零)，經(jīng)加速電場(chǎng)加速后垂直進(jìn)入有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)，到達(dá)記錄它的照相底片P上，設(shè)離子在P上的位置到入口處S1的距離

5、為x，可以判斷( ),A、若離子束是同位素，則x越大，離子質(zhì)量越大B、若離子束是同位素，則x越大，離子質(zhì)量越小C、只要x相同，則離子質(zhì)量一定相同D、只要x相同，則離子的荷質(zhì)比一定相同,AD,例3：串列加速器是用來(lái)產(chǎn)生高能離子的裝置。圖中虛線框內(nèi)為其主體的原理示意圖，其中加速管的中部b處有很高的正電勢(shì)U，a、c兩端均有電極接地（電勢(shì)為零）?，F(xiàn)將速度很低的負(fù)一價(jià)碳離子從a端輸入，當(dāng)離子到達(dá)ｂ處時(shí)，可被設(shè)在ｂ處

6、的特殊裝置將其電子剝離，成為n價(jià)正離子，而不改變其速度大小。這些正n價(jià)碳離子從c端飛出后進(jìn)入一與其速度方向垂直的、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在磁場(chǎng)中做半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)。已知碳離子的質(zhì)量為m=2.0×10-26kg，U=7.5×105V，B=0.50T，n=2，基元電荷e=1.6×10-19C，求R。,=0.75m ],,解：設(shè)碳離子到達(dá)b處時(shí)的速度為v1， 從c端射出時(shí)的速度為v2，由能量關(guān)系得：

7、 mv12/2=eU， mv22/2= mv12/2+neU， 進(jìn)入磁場(chǎng)后，碳離子做圓周運(yùn)動(dòng)， R=mv2/Bne，得,=0.75m ],,三.速度選擇器,在電、磁場(chǎng)中，若不計(jì)重力，則：,1.速度選擇器只選擇速度，與電荷的正負(fù)無(wú)關(guān)；2.注意電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向搭配。,,速度選擇器：（1）任何一個(gè)正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)組成速度選擇器。（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(shuō)沿

8、直線）通過(guò)速度選擇器。否則將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。即有確定的入口和出口。（3）這個(gè)結(jié)論與粒子帶何種電荷、電荷多少都無(wú)關(guān)。,＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋,－ － － － ― ― ―,v,,若速度小于這一速度，電場(chǎng)力將大于洛倫茲力，帶電粒子向電場(chǎng)力方向偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)力做正功，動(dòng)能將增大，洛倫茲力也將增大，粒子的軌跡既不是拋物線，也不是圓，而是一條復(fù)雜曲線；若大于這一速度，將向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)力將做負(fù)功，動(dòng)能將減小，洛倫茲力也將減小，軌跡是一條復(fù)雜曲

9、線。,練習(xí): 在兩平行金屬板間有正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)，一個(gè)帶電粒子垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向射入場(chǎng)中，射出時(shí)粒子的動(dòng)能減少了，為了使粒子射出時(shí)動(dòng)能增加，在不計(jì)重力的情況下，可采取的辦法是：A.增大粒子射入時(shí)的速度B.減小磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度C.增大電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度D.改變粒子的帶電性質(zhì),BC,四.磁流體發(fā)電機(jī),等離子體——即高溫下電離的氣體，含有大量的帶正電荷和負(fù)電荷的微粒，總體是電中性的。,,,磁流體發(fā)電機(jī),五、電磁流量計(jì),,,若

10、管道為其他形狀,如矩形呢?,7、霍爾效應(yīng),例6：圖為一種獲得高能粒子的裝置。環(huán)行區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面向外的、大小可調(diào)節(jié)的均勻磁場(chǎng)。質(zhì)量為m，電量為+q的粒子在環(huán)中做半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)。A、B為兩塊中心開(kāi)有小孔的極板。原來(lái)電勢(shì)都為零，每當(dāng)粒子飛經(jīng)A板時(shí)，A板電勢(shì)升高為+U，B板電勢(shì)仍保持為零，粒子在兩板間的電場(chǎng)中得到加速。每當(dāng)粒子離開(kāi)B板時(shí)，A板電勢(shì)又降為零。粒子在電場(chǎng)中一次次加速下動(dòng)能不斷增大，而半徑不變。（1）t=0時(shí)粒子靜止在A板小

11、孔處，在電場(chǎng)力作用下加速，并繞行第一圈。求　　 粒子繞行n圈回到A板時(shí)獲得的總動(dòng)能EK總（2）為使粒子始終保持在半徑為R的圓軌道上運(yùn)動(dòng)，求粒子繞行第n圈時(shí)的磁 感應(yīng)強(qiáng)度Bn（3）求粒子繞行n圈所需的總時(shí)間tn（設(shè)極板間距遠(yuǎn)小于R）,例3：電視機(jī)的顯像管中，電子束的偏轉(zhuǎn)是用磁偏轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。電子束經(jīng)過(guò)電壓為U的加速電場(chǎng)后，進(jìn)入一圓形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)，如圖所示。磁場(chǎng)方向垂直于圓面。磁場(chǎng)區(qū)的中心為O，半徑為r。當(dāng)不加磁場(chǎng)時(shí)

12、，電子束將通過(guò)O點(diǎn)而打到屏幕的中心M點(diǎn)。為了讓電子束射到屏幕邊緣P，需要加磁場(chǎng)，使電子束偏轉(zhuǎn)一已知角度θ，此時(shí)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B應(yīng)為多少？,,例5： 如圖，兩個(gè)共軸的圓筒形金屬電極，外電極接地，其上均勻分布著平行于軸線的四條狹縫ａ、ｂ、ｃ和ｄ，外筒的外半徑為ｒ０，在圓筒之外的足夠大區(qū)域中有平行于軸線方向的均勻磁場(chǎng)，磁感強(qiáng)度的大小為Ｂ。在兩極間加上電壓，使兩圓筒之間的區(qū)域內(nèi)有沿向外的電場(chǎng)。一質(zhì)量為ｍ、帶電量為＋ｑ的粒子，從緊靠?jī)?nèi)筒且正對(duì)狹