普通物理学 (2)PPT讲稿.ppt
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1、普通物理学第1页,共36页,编辑于2022年,星期日当带电粒子沿磁场方向运动时当带电粒子沿磁场方向运动时:当当带带电电粒粒子子的的运运动动方方向向与与磁磁场场方方向垂直时向垂直时:带带电电粒粒子子所所受受洛洛伦伦兹兹力力总总是是和和带带电电粒粒子子运运动动方方向向垂垂直直,故故它它只只能能改改变变带带电电粒粒子子运运动动方方向向,不不改改变变速速度度大大小,即洛伦兹力不作功。小,即洛伦兹力不作功。1.1.带电粒子在均匀磁场中的运动带电粒子在均匀磁场中的运动粒子作匀速直线运动。粒子作匀速直线运动。第2页,共36页,编辑于2022年,星期日周期周期轨道半轨道半径径由由于于洛洛伦伦兹兹力力与与速速度
2、度方方向向垂垂直直,粒粒子子在在磁磁场场中中做做匀匀速速圆周运动。圆周运动。洛伦兹力为向心力洛伦兹力为向心力角频率角频率第3页,共36页,编辑于2022年,星期日(3 3)如果如果 与与 斜交成斜交成 角角 粒子作螺旋运动,粒子作螺旋运动,半径半径螺距螺距周期周期注意注意:螺距仅与平行于磁场方向的初速度有关螺距仅与平行于磁场方向的初速度有关第4页,共36页,编辑于2022年,星期日2.2.带电粒子在非均匀磁场中运动带电粒子在非均匀磁场中运动 带电粒子在非均匀磁场中运动时带电粒子在非均匀磁场中运动时,半径和螺距都将半径和螺距都将随磁场增大而减小,将作变半径的螺旋线运动;特别是随磁场增大而减小,将
3、作变半径的螺旋线运动;特别是当粒子向磁场增强的方向运动时,粒子所受的磁场力当粒子向磁场增强的方向运动时,粒子所受的磁场力,恒有一指向磁场较弱方向的分力恒有一指向磁场较弱方向的分力,这个分力阻止带电粒这个分力阻止带电粒子向磁场较强的方向运动。这样有可能使粒子沿磁场增子向磁场较强的方向运动。这样有可能使粒子沿磁场增强方向的速度逐渐减小到零强方向的速度逐渐减小到零,从而迫使粒子掉向反转运从而迫使粒子掉向反转运动。粒子的这种返转运动就好象光线遇到镜面的反射一动。粒子的这种返转运动就好象光线遇到镜面的反射一样,所以这种装置称为样,所以这种装置称为磁镜磁镜。第5页,共36页,编辑于2022年,星期日F2F
4、1BvFBv线圈线圈(磁镜磁镜)第6页,共36页,编辑于2022年,星期日(磁镜)(磁镜)(磁镜)(磁镜)(2 2)磁约束装置(磁瓶)磁约束装置(磁瓶)第7页,共36页,编辑于2022年,星期日当来自外层空间的大量粒子当来自外层空间的大量粒子(宇宙射线宇宙射线)进入地球磁场范进入地球磁场范围围,粒子将绕地磁感应线作螺旋运动粒子将绕地磁感应线作螺旋运动,因为在近两极处地因为在近两极处地磁场增强磁场增强,作螺旋运动的粒子将被折回作螺旋运动的粒子将被折回,结果结果粒子在沿磁粒子在沿磁感应线的区域内来回振荡感应线的区域内来回振荡,形成一个带电粒子区域形成一个带电粒子区域,称称范艾范艾仑辐射带仑辐射带,
5、此带相对地球作对称分布。此带相对地球作对称分布。范艾仑辐射带范艾仑辐射带:宇宙中的磁约束现象:宇宙中的磁约束现象第8页,共36页,编辑于2022年,星期日范范艾艾仑仑辐辐射射带带的的形形成成示示意意图图第9页,共36页,编辑于2022年,星期日包围地包围地球外围球外围的范艾的范艾仑辐射仑辐射带带19581958年人造卫星的探测发现年人造卫星的探测发现,范艾仑辐射带有两层范艾仑辐射带有两层,内内层在距地面层在距地面800-4000Km800-4000Km处处,外层在外层在60000Km60000Km处。处。第10页,共36页,编辑于2022年,星期日北极光的产生是由于有时太阳黑子活动,太阳北极光
6、的产生是由于有时太阳黑子活动,太阳喷射的高能带电粒子流形成的太阳风,在地磁感喷射的高能带电粒子流形成的太阳风,在地磁感应线的引导下在地球北极附近进入大气层时将使应线的引导下在地球北极附近进入大气层时将使大气激发,然后辐射发光,从而出现美丽的北极大气激发,然后辐射发光,从而出现美丽的北极光。光。在靠近两极的一些国家和地区在靠近两极的一些国家和地区,如美国的阿拉斯加如美国的阿拉斯加,亚洲的西伯利亚亚洲的西伯利亚,欧洲的挪威、瑞典和芬兰等国家,欧洲的挪威、瑞典和芬兰等国家,夜晚的天空会出现五颜六色绚丽多彩的发光现象,夜晚的天空会出现五颜六色绚丽多彩的发光现象,有的呈弧形,有的呈弥漫状的斑块,有的呈大
7、而有的呈弧形,有的呈弥漫状的斑块,有的呈大而均匀的发光面等它们被统称做极光,发生在北极均匀的发光面等它们被统称做极光,发生在北极的称北极光,发生在南极的称南极光。的称北极光,发生在南极的称南极光。第11页,共36页,编辑于2022年,星期日美丽的极美丽的极光光第12页,共36页,编辑于2022年,星期日 在研究受控热核反应实验中,常常需要把等离子体约束在在研究受控热核反应实验中,常常需要把等离子体约束在一定空间区域,等离子体温度高达几千万甚至几亿摄氏度,固一定空间区域,等离子体温度高达几千万甚至几亿摄氏度,固体材料在这样的高温下都将被汽化,因此,可以利用上述带电体材料在这样的高温下都将被汽化,
8、因此,可以利用上述带电粒子在非均匀磁场运动的特点,将等离子体约束在一定的空间。粒子在非均匀磁场运动的特点,将等离子体约束在一定的空间。下面我们将介绍一种等离体磁约束装置下面我们将介绍一种等离体磁约束装置托卡马克。托卡马克。等离子体等离子体物质的第四态物质的第四态 等离子是由大量的自由带电粒子以及部分中性粒子所组成等离子是由大量的自由带电粒子以及部分中性粒子所组成的体系。宏观上一般呈电中性,导电率较高,其运动形式主要的体系。宏观上一般呈电中性,导电率较高,其运动形式主要受电磁力支配。例如,在地球以外,围绕地球的电离层、太阳受电磁力支配。例如,在地球以外,围绕地球的电离层、太阳及其它恒星等是天然的
9、等离子体,而日光灯管中发光的电离气及其它恒星等是天然的等离子体,而日光灯管中发光的电离气体和实验室中高温电离气体都是人造等离子体。体和实验室中高温电离气体都是人造等离子体。第13页,共36页,编辑于2022年,星期日托卡马克装置原理示意图托卡马克装置原理示意图第14页,共36页,编辑于2022年,星期日托卡马克装置剖托卡马克装置剖面结构和工作时面结构和工作时内部状态(上)内部状态(上)示意图示意图第15页,共36页,编辑于2022年,星期日托托卡卡马马克克装装置置环环型型容容器器内内部部实实景景第16页,共36页,编辑于2022年,星期日二、带电粒子在电磁场中的运动和应用二、带电粒子在电磁场中
10、的运动和应用 带带有有电电荷荷量量 的的粒粒子子在在静静电电场场 和和磁磁场场 中中以以速度速度 运动时受到的作用力将是:运动时受到的作用力将是:洛伦兹洛伦兹洛伦兹洛伦兹关系式关系式关系式关系式1.1.磁聚焦磁聚焦一束速度大小相近,方向与磁感应强度夹角很小的带电粒子一束速度大小相近,方向与磁感应强度夹角很小的带电粒子流从同一点出发,由于平行磁场速度分量基本相等,因而螺流从同一点出发,由于平行磁场速度分量基本相等,因而螺距基本相等,这样,各带电粒子绕行一周后将汇聚于一点,距基本相等,这样,各带电粒子绕行一周后将汇聚于一点,类似于光学透镜的光聚焦现象,称类似于光学透镜的光聚焦现象,称磁聚焦。磁聚焦
11、。广泛应用于电广泛应用于电真空器件中对电子的聚焦。真空器件中对电子的聚焦。第17页,共36页,编辑于2022年,星期日显象管中电子的磁聚焦装置示意图显象管中电子的磁聚焦装置示意图第18页,共36页,编辑于2022年,星期日 回回旋旋加加速速器器是是核核物物理理、高高能能物物理理实实验验中中用用来来获获得得高能带电粒子的设备,下图为其结构示意图。高能带电粒子的设备,下图为其结构示意图。2.2.回旋加速器回旋加速器D形盒形盒电磁铁电磁铁电磁铁电磁铁离子源第19页,共36页,编辑于2022年,星期日真空室 接高频电源 离子源 D型盒引出离子束(1)(1)装置装置电磁铁电磁铁产生强大磁场产生强大磁场D
12、 D形真空盒形真空盒放在真空室内,接高频交变电放在真空室内,接高频交变电压,使粒子旋转加速压,使粒子旋转加速,(2)(2)原理原理离子源产生的带电粒子离子源产生的带电粒子经电场加速进入经电场加速进入D1 1磁场磁场使粒子在盒内做圆运动,使粒子在盒内做圆运动,带电粒子源带电粒子源产生带电粒子产生带电粒子第20页,共36页,编辑于2022年,星期日 高频交变电源使高频交变电源使D型盒间缝隙处产生高频交变电场使型盒间缝隙处产生高频交变电场使带电粒子每经过缝隙处就被加速一次。带电粒子在盒内带电粒子每经过缝隙处就被加速一次。带电粒子在盒内运动时只受磁场作用速率不变。在一半盒内运动时间为运动时只受磁场作用
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