洛伦兹力应用.ppt
3.5 3.5 洛伦兹力的应用洛伦兹力的应用3、某些带电体是否考虑重力，要根据题目暗、某些带电体是否考虑重力，要根据题目暗示或运动状态来判定示或运动状态来判定磁场中的带电粒子一般可分为两类：磁场中的带电粒子一般可分为两类：1、带电的、带电的基本粒子基本粒子：如：如电子，质子，电子，质子，粒子，正负粒子，正负离子离子等。这些粒子所受重力和洛仑磁力相比在小得多，等。这些粒子所受重力和洛仑磁力相比在小得多，除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。（但并不能忽略质量但并不能忽略质量）。）。2、带电微粒带电微粒：如：如带电小球、液滴、尘埃带电小球、液滴、尘埃等。除非有等。除非有说明或明确的暗示以外，说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力一般都考虑重力。1、圆周运动的半径、圆周运动的半径2、圆周运动的周期、圆周运动的周期复习回顾复习回顾可见：对于一定的带电粒子。可以通过调节可见：对于一定的带电粒子。可以通过调节B和和V0的的大小大小来控制粒子的来控制粒子的偏转角度偏转角度。偏转角偏转角磁偏转的磁偏转的特点特点：只改变速度的方向，不改变速度的大只改变速度的方向，不改变速度的大小。小。一、利用磁场控制带电粒子运动一、利用磁场控制带电粒子运动偏转角偏转角弦切角弦切角圆心角圆心角结论：结论：（1 1）偏转角等于圆心角。）偏转角等于圆心角。）偏转角等于圆心角。）偏转角等于圆心角。（2 2）弦切角等于圆心角的一半。）弦切角等于圆心角的一半。）弦切角等于圆心角的一半。）弦切角等于圆心角的一半。一、利用磁场控制带电粒子运动一、利用磁场控制带电粒子运动 速度选择器速度选择器（1）只选择）只选择速度速度速度速度，不选择粒子（质量、电量、电性）；，不选择粒子（质量、电量、电性）；2.特点：特点：（2）其中的）其中的E E、B B的方向不仅互相垂直，且的方向不仅互相垂直，且还有确定的关系还有确定的关系还有确定的关系还有确定的关系；（3）速度选择器中的）速度选择器中的粒子只能沿一个确定的方向通过粒子只能沿一个确定的方向通过粒子只能沿一个确定的方向通过粒子只能沿一个确定的方向通过。1.原理：原理：在如图所示的平行板器件中，电场强度和磁感应强度相互在如图所示的平行板器件中，电场强度和磁感应强度相互垂直，具有不同水平速度的带电粒子射入后发生偏转的情况不垂直，具有不同水平速度的带电粒子射入后发生偏转的情况不同。这种装置能把具有同。这种装置能把具有某一特定速度的粒子选择出来，所以叫某一特定速度的粒子选择出来，所以叫速度选择器。速度选择器。B挡板挡板 洛伦兹力洛伦兹力大于大于电场力电场力，带电粒子向洛伦兹力方向偏转，电场力，带电粒子向洛伦兹力方向偏转，电场力将做将做负功负功，动能将，动能将减小减小，洛伦兹力也将，洛伦兹力也将减小减小，轨迹是，轨迹是曲线曲线。(1)(1)若若V V小于这一速度小于这一速度V V0 0？电场力将电场力将大于大于洛伦兹力洛伦兹力，带电粒子向电场力方向偏转，电场力做，带电粒子向电场力方向偏转，电场力做正功正功，动能将，动能将增大增大，洛伦兹力也将，洛伦兹力也将增大增大,轨迹是轨迹是曲线。曲线。(2)(2)若若V V大于这一速度大于这一速度V VO O？速度选择器速度选择器原理：原理：B挡板挡板1.1.1.1.作用：作用：作用：作用：测定带电粒子测定带电粒子荷荷 质比质比的仪器。的仪器。2.2.2.2.结构：结构：结构：结构：3.3.3.3.工作原理：工作原理：工作原理：工作原理：（1）加速：动能定理）加速：动能定理（2）速度选择：）速度选择：（3）偏转：）偏转：（4）测量：）测量：二、二、质谱仪质谱仪测测质量质量：1 1加速原理：加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，带电粒子的动能增加，qU=qU=E Ek k2 2直线加速器，多级加速如图所示是多级加速装置的原理图：三、加速器三、加速器（一）、直线加速器（一）、直线加速器（一）、直线加速器（一）、直线加速器由由动能定理动能定理得得:带电粒子经带电粒子经n n极的电场加速后增加的动能为：极的电场加速后增加的动能为：缺点：缺点：直线加速器占有的空间范围大，在有限的空直线加速器占有的空间范围大，在有限的空 间范围内制造直线加速器受到一定的限制间范围内制造直线加速器受到一定的限制1966年建成的美国斯坦福电子直线加速器管长年建成的美国斯坦福电子直线加速器管长3050米米.直线加速器占地太大，能不能让它小一点直线加速器占地太大，能不能让它小一点直线加速器占地太大，能不能让它小一点直线加速器占地太大，能不能让它小一点劳伦斯（劳伦斯（19011958）：美国物理学家）：美国物理学家回旋加速器回旋加速器 加速条件：交流电源的周期加速条件：交流电源的周期与带电粒子在匀强与带电粒子在匀强 磁场中做磁场中做匀速圆周运动的周期相同匀速圆周运动的周期相同.结构：结构：两个两个 D 形金属扁盒形金属扁盒，在其上加有，在其上加有磁场磁场和和交交变的电场变的电场，两个两个 D形盒形盒缝隙中心缝隙中心附近有附近有离子源离子源。回旋加速器回旋加速器1.两两D形盒中有形盒中有匀强磁场匀强磁场无电场，盒间无电场，盒间缝隙缝隙有有交变交变电场电场。3.粒子回旋的粒子回旋的周期不随半径改变周期不随半径改变。让。让电场方向变化的周电场方向变化的周期与粒子回旋的周期一致期与粒子回旋的周期一致，从而保证粒子始终被加速。，从而保证粒子始终被加速。2.电场使粒子加速（电场使粒子加速（电场加速电场加速过程中过程中,时间极短时间极短,可忽略可忽略），），磁场使粒子回旋（匀速圆周磁场使粒子回旋（匀速圆周运动）。运动）。4.带电粒子的最高能量与哪些因素有关？带电粒子的最高能量与哪些因素有关？,可见：带可见：带电粒子一定电粒子一定的条件下，其获得的的条件下，其获得的最大能量最大能量 取决于：取决于：D D形盒的半径形盒的半径R R，磁感应强度，磁感应强度B B.那么粒子获得的最大能量为：那么粒子获得的最大能量为：为为粒子运动的最大速度粒子运动的最大速度根据根据形盒的半径形盒的半径带电粒子做圆周运动的半径最大只能等于圆带电粒子做圆周运动的半径最大只能等于圆注意：加速电压小，多转几圈。电压大，少转几圈。5.加速的次数加速的次数N6.（1）加速粒子在磁场中运动的时间）加速粒子在磁场中运动的时间（2）加速粒子电场中运动的时间）加速粒子电场中运动的时间t t加加注意：（在加速电场中相当于（在加速电场中相当于“匀加速直线运动匀加速直线运动”）U U BU U AABBA1A1B1B1+回旋加速器的原理回旋加速器的原理思考：回旋加速器能不能无限提高粒子的能量？思考：回旋加速器能不能无限提高粒子的能量？答：据相对论理论知识，粒子速答：据相对论理论知识，粒子速度被加速到接近光速，质量明显度被加速到接近光速，质量明显增强，增强，周期周期也增加，破坏了回旋也增加，破坏了回旋加速器的同步条件。加速器的同步条件。目前世界上最大的回旋加速器在美国目前世界上最大的回旋加速器在美国费费米米加速实验室，环形管道的半径为加速实验室，环形管道的半径为2公里。产公里。产生的高能粒子能量为生的高能粒子能量为5000亿电子伏特。亿电子伏特。北京正负电子对撞机改造后的直线加速器北京正负电子对撞机改造后的直线加速器 1.在磁场中做圆周运动在磁场中做圆周运动,周期不变周期不变。2.每一个周期加速两次。每一个周期加速两次。3.电场的周期电场的周期与粒子在磁场中做与粒子在磁场中做圆周运动周期相圆周运动周期相同同。4.电场电场一个周期一个周期中方向中方向变化两次变化两次。5.B不变时：某一个粒子能被加速的不变时：某一个粒子能被加速的最大速度最大速度由由盒的盒的半径半径决定。决定。6.电场加速过程中电场加速过程中,时间极短时间极短,可忽略。可忽略。回旋加速器回旋加速器结论结论例例2:关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正确关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正确的是的是()A、电场和磁场都对带电粒子起加速作用、电场和磁场都对带电粒子起加速作用B、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的C、只有电场能对带电粒子起加速作用、只有电场能对带电粒子起加速作用D、磁场的作用是使带电粒子在、磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动形盒中做匀速圆周运动CD例例1 1：在在两两平平行行金金属属板板间间有有正正交交的的匀匀强强电电场场和和匀匀强强磁磁场场，一一个个带带电电粒粒子子垂垂直直于于电电场场和和磁磁场场方方向向射射入入场场中中，射射出出时时粒粒子子的的动动能能减减少少了了，为为了了使使粒粒子子射射出出时时动动能能增增加加，在在不不计计重重力力的情况下，可采取的办法是：的情况下，可采取的办法是：A.A.增大粒子射入时的速度增大粒子射入时的速度B.B.减小磁场的磁感应强度减小磁场的磁感应强度C.C.增大电场的电场强度增大电场的电场强度D.D.改变粒子的带电性质改变粒子的带电性质BC
