洛伦兹力的应用使用.ppt

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1、莆田一中莆田一中 李真李真（一）、速度选择器（一）、速度选择器（一）、速度选择器（一）、速度选择器 1 1、若带电粒子带负电，会不会影响速度选择器、若带电粒子带负电，会不会影响速度选择器、若带电粒子带负电，会不会影响速度选择器、若带电粒子带负电，会不会影响速度选择器对速度的选择？对速度的选择？对速度的选择？对速度的选择？2 2、若把磁场或电场反向，会不会影响速度选择、若把磁场或电场反向，会不会影响速度选择、若把磁场或电场反向，会不会影响速度选择、若把磁场或电场反向，会不会影响速度选择器对速度的选择？器对速度的选择？器对速度的选择？器对速度的选择？3 3、若把磁场和电场同时反向，会不会影响速、若

2、把磁场和电场同时反向，会不会影响速、若把磁场和电场同时反向，会不会影响速、若把磁场和电场同时反向，会不会影响速度选择器对速度的选择？度选择器对速度的选择？度选择器对速度的选择？度选择器对速度的选择？洛伦兹力的应用（速度选择器）洛伦兹力的应用（速度选择器）【讨论与交流讨论与交流】（二）、荷质比（二）、荷质比（二）、荷质比（二）、荷质比(比荷比荷比荷比荷)的测定、质谱仪的测定、质谱仪的测定、质谱仪的测定、质谱仪1.1.荷质比荷质比荷质比荷质比(比荷比荷比荷比荷)的概念：带电粒子的电荷与质量之比。的概念：带电粒子的电荷与质量之比。的概念：带电粒子的电荷与质量之比。的概念：带电粒子的电荷与质量之比。它

3、是带电粒子的基本参量。它是带电粒子的基本参量。它是带电粒子的基本参量。它是带电粒子的基本参量。2.2.测定荷质比的装置：测定荷质比的装置：测定荷质比的装置：测定荷质比的装置：A A：电离室：电离室：电离室：电离室:S S1 1SS2 2：加速电场：加速电场：加速电场：加速电场 B B：匀强磁场：匀强磁场：匀强磁场：匀强磁场 D D：照相底片：照相底片：照相底片：照相底片 3.3.测定荷质比的装置测定荷质比的装置测定荷质比的装置测定荷质比的装置质谱仪（最初由汤姆生发现的）。质谱仪（最初由汤姆生发现的）。质谱仪（最初由汤姆生发现的）。质谱仪（最初由汤姆生发现的）。洛伦兹力的应用（质谱仪）洛伦兹力的

4、应用（质谱仪）rx洛伦兹力的应用（质谱仪）洛伦兹力的应用（质谱仪）【讨论与交流讨论与交流】质子和质子和 粒子以相同的动能垂直进入同一磁场粒子以相同的动能垂直进入同一磁场,它们能分开吗它们能分开吗?19311931年，加利福尼亚大学的劳年，加利福尼亚大学的劳 伦斯提出了一个卓越的思想，通伦斯提出了一个卓越的思想，通过磁场的作用迫使带电粒子沿着过磁场的作用迫使带电粒子沿着 磁极之间做螺旋线运动磁极之间做螺旋线运动,把长长把长长 的电极像卷尺那样卷起来，发明的电极像卷尺那样卷起来，发明 了回旋加速器，第一台直径为了回旋加速器，第一台直径为27cm27cm的回旋的回旋 加速器投入运行，它能将质子加速器

5、投入运行，它能将质子 加速到加速到1Mev1Mev。19391939年劳伦斯获诺贝尔年劳伦斯获诺贝尔 物理奖。物理奖。U回旋加速器（洛伦兹力的应用）回旋加速器（洛伦兹力的应用）问题问题A2A1A3A4洛伦兹力的应用（回旋加速器）洛伦兹力的应用（回旋加速器）【讨论与交流讨论与交流】1 1 1 1、带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时,如果如果速率速率v增大引起半径增大引起半径r增大增大,其运动周期其运动周期T是否变化是否变化?2、为了使带电粒子每次经过两、为了使带电粒子每次经过两D形盒的间隙时形盒的间隙时,恰能恰能受到电场力作用且被加速受到电场力作用且被加速,

6、高频电源的周期应符合高频电源的周期应符合什么条件什么条件?3、设回旋加速器设回旋加速器D形盒的半径为形盒的半径为R,匀强磁场的磁感匀强磁场的磁感应强度为应强度为B,则该回旋加速器最多可以将质量为则该回旋加速器最多可以将质量为m、电荷量为电荷量为q的带电粒子加速到多大的速度的带电粒子加速到多大的速度?周期周期T=2p pm/qB与速率和半径无关，即与速率和半径无关，即T不变不变应使高频电源的频率与粒子做匀速圆周运动的频率相同应使高频电源的频率与粒子做匀速圆周运动的频率相同当粒子当粒子做匀速圆周运动的最大半径等于做匀速圆周运动的最大半径等于D形盒的半径时，粒子形盒的半径时，粒子的速度达到最大：的速

7、度达到最大：Vmax=qBR/m.如果尽量增强回旋加速器的磁如果尽量增强回旋加速器的磁场或加大场或加大D形盒半径，我们是不是就形盒半径，我们是不是就可以使带电粒子获得任意高的能量可以使带电粒子获得任意高的能量吗？吗？思考思考：根据爱因斯坦的相对论原理，当带电粒子的速度根据爱因斯坦的相对论原理，当带电粒子的速度接近于光速时，运动粒子的质量不断变大，就破坏了接近于光速时，运动粒子的质量不断变大，就破坏了回旋加速器的工作条件，粒子就不能一直被加速回旋加速器的工作条件，粒子就不能一直被加速_+-燃烧室燃烧室 发电通道发电通道燃燃料料和和氧氧化化剂剂磁流体发电机磁流体发电机等离子体等离子体_+绝缘材料绝

8、缘材料V+-电磁流流量计电磁流流量计绝缘材料绝缘材料+-abcV例：假设流量计是如图所示的一段非磁性材料制成的例：假设流量计是如图所示的一段非磁性材料制成的 圆柱形的管道，相关参量如图所示，内径为圆柱形的管道，相关参量如图所示，内径为D D，磁感应强度为磁感应强度为B B，求：，求：若管壁上若管壁上a a、b b两点间电势差为两点间电势差为U U，求流量，求流量Q Q。绝缘材料绝缘材料+-abc_+霍霍尔尔效效应应带带电电粒粒子子在在电电场场磁磁场场中中的的运运动动带带电电粒粒子子在在电电场场中中的的运动运动直线运动直线运动：如用电场加速或减速粒子：如用电场加速或减速粒子带带电电粒粒子子在在磁

9、磁场场中中的的运动运动直直线线运运动动（当当带带电电粒粒子子的的速速度度与与磁磁场平行时）场平行时）带带电电粒粒子子在在复复合合场场中中的运动的运动直线运动：直线运动：偏转偏转：类似平抛运动，一般分解成两：类似平抛运动，一般分解成两 个分运动求解个分运动求解圆周运动：圆周运动：以点电荷为圆心运动或受以点电荷为圆心运动或受装置约束运动装置约束运动圆周运动圆周运动（当带电粒子的速度与磁场（当带电粒子的速度与磁场垂直时）垂直时）螺旋状的运动螺旋状的运动(当带电粒子的速度与磁当带电粒子的速度与磁场成一定角度时场成一定角度时)圆周运动：圆周运动：一般的曲线运动一般的曲线运动平衡状态平衡状态 例例1:在真

10、空中在真空中,匀强电场匀强电场E的方向竖直向下，的方向竖直向下，匀强磁场匀强磁场B的方向垂直纸面向里的方向垂直纸面向里,三个三个油滴油滴a、b、c带有等量同种电荷，已知带有等量同种电荷，已知a静止，静止，b以以v向右匀速运动，向右匀速运动，c以以v向左匀速运动，试比向左匀速运动，试比较它们的质量：较它们的质量：ma、mb、mc的关系的关系 EB直线运动直线运动 例例2:质量为质量为m,带电量为带电量为q的的液滴液滴以速度以速度v沿与水平沿与水平成成45 角斜向上进入正交的匀强电场和匀强磁角斜向上进入正交的匀强电场和匀强磁场叠加区域场叠加区域,电场强度方向水平向右，磁场方向电场强度方向水平向右，

11、磁场方向垂直纸面向里垂直纸面向里,液滴在重力、电场力及磁场力共液滴在重力、电场力及磁场力共同作用下在场区做同作用下在场区做匀速直线运动匀速直线运动,问问:液滴带什液滴带什么电么电?电场强度电场强度E和磁感应强度和磁感应强度B各多大？各多大？当液滴运动到某一点当液滴运动到某一点A时时,电场方向突然变为竖直电场方向突然变为竖直向上向上,大小不改变，此时液大小不改变，此时液滴加速度滴加速度a多大？此后多大？此后液液滴滴做什么运动？做什么运动？4545 例例3一个带电一个带电微粒微粒在图示的正交匀强电场和匀在图示的正交匀强电场和匀强磁场中在竖直面内做强磁场中在竖直面内做匀速圆周运动匀速圆周运动。则该带

12、。则该带电微粒必然带电微粒必然带_，旋转方向为，旋转方向为_。若已。若已知圆半径为知圆半径为r，电场强度为，电场强度为 E 磁感应强度为磁感应强度为 B，则线速度为则线速度为_。BE负电，负电，带电微粒在三个场共同作用带电微粒在三个场共同作用下做匀速圆周运动。必然是电场下做匀速圆周运动。必然是电场力和重力平衡，而洛伦兹力充当力和重力平衡，而洛伦兹力充当向心力向心力！逆时针，逆时针，v=qBr/m=gBr/E圆周运动圆周运动 例例4.如图所示如图所示,一对竖直放置的平行金属一对竖直放置的平行金属板长为板长为L,板间距离为板间距离为d,接在电压为接在电压为U的电的电源上源上,板间有一与电场方向垂直

13、的匀强磁板间有一与电场方向垂直的匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里，磁感应强度场，磁场方向垂直纸面向里，磁感应强度为为B.有一质量为有一质量为m、带电荷量为、带电荷量为+q的油的油滴，从离平行板上端滴，从离平行板上端h高处由静止开始自高处由静止开始自由下落，由两板正中央由下落，由两板正中央p点处进入电场和点处进入电场和磁场空间，油滴在磁场空间，油滴在p点所受电场力和磁场点所受电场力和磁场力恰好平衡，最后油滴从一块极板的边缘力恰好平衡，最后油滴从一块极板的边缘D处离开电场和磁场空间；求：处离开电场和磁场空间；求：（1）高度）高度h为多少？为多少？（2）油滴在）油滴在D点时的速度大小。点时的速度大小。

14、一般曲线运动一般曲线运动例例5质量为质量为 m 带电量为带电量为 q 的小球套在竖直放置的的小球套在竖直放置的绝缘杆上，球与杆间的动摩擦因数为绝缘杆上，球与杆间的动摩擦因数为。匀强电场。匀强电场和匀强磁场的方向如图所示，电场强度为和匀强磁场的方向如图所示，电场强度为 E，磁感，磁感应强度为应强度为 B。小球由静止释放后沿杆下滑。设杆足。小球由静止释放后沿杆下滑。设杆足够长，电场和磁场也足够大，够长，电场和磁场也足够大，求运动过程中小球求运动过程中小球的最大加速度和最大速度。的最大加速度和最大速度。EBqEqvBmgfN最大加速度为最大加速度为 g，此时有：，此时有：qvB=qE，N=0，f=0

15、当摩擦力和重力大小相等时，当摩擦力和重力大小相等时，小球速度达到最大小球速度达到最大 临界问题临界问题问题：问题：若将磁场反向，其余条件不变。最大加速度若将磁场反向，其余条件不变。最大加速度和最大速度又各是多少？何时出现？和最大速度又各是多少？何时出现？开始的加速度最大开始的加速度最大为为摩擦力等于重力摩擦力等于重力时时速度最大，速度最大，为为EBqEqvBmgfN带电体在复合场中的运动带电体在复合场中的运动1 1、带电粒子在电场、磁场、重力场中的运动，简称带电粒子在、带电粒子在电场、磁场、重力场中的运动，简称带电粒子在复合场中的运动，一般具有较复杂的运动图景。这类问题本质复合场中的运动，一般

16、具有较复杂的运动图景。这类问题本质上是一个力学问题，应顺应力学问题的研究思路和运用力学的上是一个力学问题，应顺应力学问题的研究思路和运用力学的基本规律。基本规律。分析带电粒子在电场、磁场中运动，主要是两条线索：分析带电粒子在电场、磁场中运动，主要是两条线索：力和运动的关系。根据带电粒子所受的力，运用牛顿第二定力和运动的关系。根据带电粒子所受的力，运用牛顿第二定律并结合运动学规律求解。律并结合运动学规律求解。功能关系功能关系。根据场力及其它外力对带电粒子做功引起的能。根据场力及其它外力对带电粒子做功引起的能量变化或全过程中的功能关系，从而可确定带电粒子的运动量变化或全过程中的功能关系，从而可确定

17、带电粒子的运动情况，这条线索不但适用于均匀场，也适用于非均匀场。因情况，这条线索不但适用于均匀场，也适用于非均匀场。因此要熟悉各种力做功的特点。此要熟悉各种力做功的特点。带电体在复合场中受力情况复杂运动情况多变，往往出现临带电体在复合场中受力情况复杂运动情况多变，往往出现临界问题，应以题中界问题，应以题中“最大最大”、“最高最高”、“至少至少”等词语为突等词语为突破口，挖掘隐含条件，根据临界条件列出辅助方程，再与其它破口，挖掘隐含条件，根据临界条件列出辅助方程，再与其它方程联立求解。方程联立求解。带带电电粒粒子子在在电电场场磁磁场场中中的的运运动动带带电电粒粒子子在在电电场场中中的的运动运动直

18、线运动直线运动：如用电场加速或减速粒子：如用电场加速或减速粒子带带电电粒粒子子在在磁磁场场中中的的运动运动直直线线运运动动（当当带带电电粒粒子子的的速速度度与与磁磁场平行时）场平行时）带带电电粒粒子子在在复复合合场场中中的运动的运动直线运动：直线运动：垂直运动方向的力必定平衡垂直运动方向的力必定平衡偏转偏转：类似平抛运动，一般分解成两：类似平抛运动，一般分解成两 个分运动求解个分运动求解圆周运动：圆周运动：以点电荷为圆心运动或受以点电荷为圆心运动或受装置约束运动装置约束运动圆周运动圆周运动（当带电粒子的速度与磁场（当带电粒子的速度与磁场垂直时）垂直时）螺旋状的运动螺旋状的运动(当带电粒子的速度

19、与磁当带电粒子的速度与磁场成一定角度时场成一定角度时)圆周运动：圆周运动：重力与电场力一定平重力与电场力一定平衡，由洛伦兹力提供向心力衡，由洛伦兹力提供向心力一般的曲线运动一般的曲线运动亥姆霍兹线圈亥姆霍兹线圈电电 子子 枪枪磁场强弱选择挡磁场强弱选择挡加速电压加速电压选择挡选择挡带电粒子垂直进入匀强磁场带电粒子垂直进入匀强磁场例例4:带电带电液滴液滴从从h高处自由落下高处自由落下,进入一个匀强电进入一个匀强电场与匀强磁场互相垂直的区域场与匀强磁场互相垂直的区域,磁场方向垂直纸磁场方向垂直纸面面,电场强度为电场强度为E,磁感应强度为磁感应强度为B,已知已知液滴液滴在此区在此区域中做匀速圆周运动域中做匀速圆周运动,则圆周的半径则圆周的半径R=_hRo