带电粒子电磁场中运动常见几种仪器.ppt

例例1:如图所示为一如图所示为一“滤速器滤速器”装置示意图。装置示意图。a、b为水平放置的平行金属板，一束具有各种不同速为水平放置的平行金属板，一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔率的电子沿水平方向经小孔O进入进入a、b两板之间。两板之间。为了选取具有某种特定为了选取具有某种特定速率速率的电子，可在的电子，可在a、b间间加上竖直方向的电压，并沿垂直于纸面的方向加加上竖直方向的电压，并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场，使所选电子仍能够沿水平直线一匀强磁场，使所选电子仍能够沿水平直线OO运运动，由动，由O射出，不计重力作用，可能达到上述目射出，不计重力作用，可能达到上述目的的办法有哪些？的的办法有哪些？带电粒子在电磁场中运动带电粒子在电磁场中运动O OabOO质谱仪质谱仪原理分析原理分析1、质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具、质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具2、基本原理、基本原理将质量不等、电荷数相等的带电粒将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一电场加速再垂直进入同一匀强子经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场，由于粒子动量不同，引起轨迹半磁场，由于粒子动量不同，引起轨迹半径不同而分开，进而分析某元素中所含径不同而分开，进而分析某元素中所含同位素的种类同位素的种类3、推导推导例例2:如图所示，有如图所示，有a、b、c、d四个离子，它们带四个离子，它们带等量同种电荷等量同种电荷q,质量关系：质量关系：ma=mbmc=md，速度关系速度关系:ab=cd,进入磁感应强度为进入磁感应强度为B1电场电场强度为强度为E的速度选择器后，有两个离子从速度选的速度选择器后，有两个离子从速度选择器中射出，进入择器中射出，进入B2磁场，由此可判定磁场，由此可判定 A1 A2 A3 A4轨迹分别对应什么离子？轨迹分别对应什么离子？带电粒子在电磁场中运动带电粒子在电磁场中运动A3A1B B1 1B B2 2A2A4例例4:如图所示，厚度为如图所示，厚度为如图所示，厚度为如图所示，厚度为h h、宽度为、宽度为、宽度为、宽度为d d的导体板放在垂直于的导体板放在垂直于的导体板放在垂直于的导体板放在垂直于它的磁感应强度为它的磁感应强度为它的磁感应强度为它的磁感应强度为B B 的均匀磁场中，当电流通过导体板的均匀磁场中，当电流通过导体板的均匀磁场中，当电流通过导体板的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体的上侧面时，在导体的上侧面时，在导体的上侧面时，在导体的上侧面A A和下侧面和下侧面和下侧面和下侧面AA之间会产生电势差，之间会产生电势差，之间会产生电势差，之间会产生电势差，这种现象称为这种现象称为这种现象称为这种现象称为霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应。实验表明：当磁场不太强时，实验表明：当磁场不太强时，实验表明：当磁场不太强时，实验表明：当磁场不太强时，电势差电势差电势差电势差U U，电流，电流，电流，电流I I和和和和B B的关系为：的关系为：的关系为：的关系为：,式中的比例系式中的比例系式中的比例系式中的比例系数数数数K K称为霍尔系数。称为霍尔系数。称为霍尔系数。称为霍尔系数。设电流设电流设电流设电流I I是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速率为速率为速率为速率为v v,电荷量为电荷量为电荷量为电荷量为-e,e,问：问：问：问：(1)(1)(2)(2)F F洛洛洛洛=？(3)(3)U UAAAA=U U时，时，时，时，F F电电电电=？(4)(4)当当当当静电力和洛伦兹力平衡静电力和洛伦兹力平衡静电力和洛伦兹力平衡静电力和洛伦兹力平衡时时时时 证明霍尔系数满足：证明霍尔系数满足：证明霍尔系数满足：证明霍尔系数满足：带电粒子在电磁场中运动（全国高考）带电粒子在电磁场中运动（全国高考）霍尔效应可解释如下：霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集外部磁场的洛伦兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场，出现多余的正电荷，从而形成横向电场，横向电场对电子施加与方向相反的静电横向电场对电子施加与方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。势差。磁流体发电机的原理磁流体发电机的原理磁流体发电机的原理磁流体发电机的原理dLS例例3:等离子气体喷入磁场，正、负离子在洛伦兹力作用等离子气体喷入磁场，正、负离子在洛伦兹力作用等离子气体喷入磁场，正、负离子在洛伦兹力作用等离子气体喷入磁场，正、负离子在洛伦兹力作用下发生偏转而聚集到下发生偏转而聚集到下发生偏转而聚集到下发生偏转而聚集到a a、b b板上，产生电势差。设板上，产生电势差。设板上，产生电势差。设板上，产生电势差。设a a、b b平平平平行金属板的长度为行金属板的长度为行金属板的长度为行金属板的长度为L L，正对面积为，正对面积为，正对面积为，正对面积为S S，相距，相距，相距，相距d d，等离子气，等离子气，等离子气，等离子气体的电阻率为体的电阻率为体的电阻率为体的电阻率为，喷入气体速度为，喷入气体速度为，喷入气体速度为，喷入气体速度为v v，板间磁场的磁感应，板间磁场的磁感应，板间磁场的磁感应，板间磁场的磁感应强度为强度为强度为强度为B B，板外电阻为，板外电阻为，板外电阻为，板外电阻为R R，当等离子气体匀速通过，当等离子气体匀速通过，当等离子气体匀速通过，当等离子气体匀速通过a a、b b板板板板间时，求：间时，求：间时，求：间时，求：(1)(1)两板间电势差两板间电势差两板间电势差两板间电势差U U？(2)(2)通过通过通过通过R R的电流的电流的电流的电流I I？带电粒子在电磁场中运动带电粒子在电磁场中运动ab 例例4 4（江西省试题）：图（江西省试题）：图-4-4为磁流体发电机的为磁流体发电机的示意图。设两金属板间的距离为示意图。设两金属板间的距离为d d，两极板间，两极板间匀强磁场的磁感应强度为匀强磁场的磁感应强度为B B。等离子体垂直进。等离子体垂直进入磁场的速度为入磁场的速度为v v,单个离子所带的电量为单个离子所带的电量为q q。离子通道（即两极板内所围成空间）的等效离子通道（即两极板内所围成空间）的等效电阻为电阻为r r，负载电阻为，负载电阻为R R。求（。求（1 1）该发电机的）该发电机的电动势；（电动势；（2 2）发电机的总功率。答案（）发电机的总功率。答案（1 1）电动势电动势E=BdE=Bdv v (2)(2)总功率总功率电磁流量计电磁流量计根据霍尔效应其原理可解释为：所示，一圆形导管直径为d，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体向左流动。导电液体中的自由电荷（正负离子）在洛伦兹力作用下横向偏转，a、b间出现电势差。当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差就保持稳定。由qvB=Eq=，可得v=，流量Q=sv=电磁流量计电磁流量计磁强计是利用霍尔效应来测量磁感应强度磁强计是利用霍尔效应来测量磁感应强度B B的仪器。其原理可解为：如图的仪器。其原理可解为：如图-7-7所示，所示，一块导体接上一块导体接上a a、b b、c c、d d四个电极，将导四个电极，将导体放在匀强磁场之中，体放在匀强磁场之中，a a、b b间通以电流间通以电流I I，c c、d d间就会出现电势差，只要测出间就会出现电势差，只要测出c c、d d间的电势差间的电势差U U，就可测得，就可测得B B。霍尔效应（磁强计）霍尔效应（磁强计）霍尔效应（磁强计）霍尔效应（磁强计）导体中通过电流时，在运动的电荷导体中通过电流时，在运动的电荷为电子，带负电；为电子，带负电；当电子所受电场力与洛仑兹力相等当电子所受电场力与洛仑兹力相等时，导体上、下侧电势差稳定。时，导体上、下侧电势差稳定。设设c c、d d间电势差达到稳定，则间电势差达到稳定，则U=ELU=EL，此时导电的自，此时导电的自由电荷受到的电场力与洛伦兹力相平衡，由电荷受到的电场力与洛伦兹力相平衡，Eq=qvBEq=qvB，式中式中v v为自由电荷的定向移动速度。由此可知，为自由电荷的定向移动速度。由此可知，。设导体中单位体积内的自由电荷数为设导体中单位体积内的自由电荷数为n n，则电流，则电流I=nqsvI=nqsv，式中，式中S S为导体横截面积，为导体横截面积，S=LdS=Ld。因此，由。因此，由此可知此可知BUBU。这样只要将装置先在已知磁场中定出这样只要将装置先在已知磁场中定出标度，就可通过测定标度，就可通过测定U U来确定来确定B B的大小了的大小了回回旋旋加加速速器器名师名师1号号P284第第6、9题；题；P297第第13题题叠加场（电场、磁场、重力场中只少有两个同时出现在同一区域）叠加场（电场、磁场、重力场中只少有两个同时出现在同一区域）速度选择器速度选择器任何一个存在正交电场的磁场的空间都可看任何一个存在正交电场的磁场的空间都可看作速度选择器作速度选择器速度选择器只选择速度而不选择粒子的种类，速度选择器只选择速度而不选择粒子的种类，只要只要v=E/B，粒子就能沿直线匀速通过选择器，粒子就能沿直线匀速通过选择器，而与粒子的电性、电荷量、质量无关。（不计而与粒子的电性、电荷量、质量无关。（不计重力）重力）对于确定的速度选择器有确定的入口与出口。对于确定的速度选择器有确定的入口与出口。如图所示，在平行金属板间有匀强电场和匀强磁场，方向如图，如图所示，在平行金属板间有匀强电场和匀强磁场，方向如图，有一束正电荷沿中心线方向水平射入，却分成三束分别由有一束正电荷沿中心线方向水平射入，却分成三束分别由a a、b b、c c三点射出，问可以确定的是这三束带电粒子的什么物理量不相三点射出，问可以确定的是这三束带电粒子的什么物理量不相同同?(?(重力不计重力不计)名师名师1号号P283第第3题题磁流体发电机、电磁流量计、霍尔效应（磁强计）磁流体发电机、电磁流量计、霍尔效应（磁强计）磁流体发电机磁流体发电机进入磁场的粒子带正、负电荷进入磁场的粒子带正、负电荷当当Eq=Bqv时两板间电势差达到最大时两板间电势差达到最大电磁流量计电磁流量计流动的导电液体含有正、负离子流动的导电液体含有正、负离子U=Bdv流量指单位时间内流过的体积：流量指单位时间内流过的体积：Q=Sv当液体内的自由电荷所受电场力与洛当液体内的自由电荷所受电场力与洛仑兹力相等时，仑兹力相等时，a、b间的电势差稳定。间的电势差稳定。名师名师1号号P297第第15题题