洛伦兹力与现代技术.ppt

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1、讨论与交流:一个带电粒子分别以平行、一个带电粒子分别以平行、垂直和倾斜于磁场方向的初速垂直和倾斜于磁场方向的初速度进入匀强磁场，它在磁场中度进入匀强磁场，它在磁场中各做什么运动？各做什么运动？一、带电粒子在磁场中的运动（1 1）“平行平行”进入：进入：B Bv v（2 2）“垂直垂直”进入：进入：B Bv v（2 2）“垂直垂直”进入：进入：B Bv vf fv v（2 2）“垂直垂直”进入：进入：B Bv vf fv v 讨论：讨论：若带电粒子质量为若带电粒子质量为 mm，电荷量，电荷量为为 q q，粒子以垂直于磁场的初速度，粒子以垂直于磁场的初速度 v v 进入匀强磁场，已知磁场的磁感应强

2、进入匀强磁场，已知磁场的磁感应强度为度为 B B。你能求出带电粒子在磁场中。你能求出带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径和周期吗？做匀速圆周运动的半径和周期吗？qvBqvBm m v v2 2r r（3 3）“倾斜倾斜”进入：进入：B Bv v（3 3）“倾斜倾斜”进入：进入：B Bv v 带电粒子在磁场带电粒子在磁场带电粒子在磁场带电粒子在磁场中的圆周运动演示中的圆周运动演示中的圆周运动演示中的圆周运动演示 应应用用1 1如如图图所所示示，在在垂垂直直纸纸面面向向里里的的匀匀强强磁磁场场中中，有有a a、b b两两个个电电子子从从同同一一处处沿沿垂垂直直磁磁感感线线方方向向开开始始运运动动，

3、a a的的初初速速度度为为v v，b b的的初初速度为速度为2 2v v则（则（）A Aa a先回到出发点先回到出发点 B Bb b先回到出发点先回到出发点 C Ca a、b b同时回到出发点同时回到出发点 D D不能确定不能确定 应用应用2 2：一个带电粒子沿垂直于磁场的一个带电粒子沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场。粒子的一段径迹如方向射入一匀强磁场。粒子的一段径迹如图所示。径迹上的每一小段都可近似看成图所示。径迹上的每一小段都可近似看成圆弧。由于带电粒子使沿途的空气电离，圆弧。由于带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能量逐渐减小（粒子的带电量不变）粒子的能量逐渐减小（粒子的带电量不变），从图中

4、的情况可以确定，从图中的情况可以确定A.A.粒子从粒子从a a到到b b，带正电，带正电B.B.粒子从粒子从a a到到b b，带负电，带负电C.C.粒子从粒子从b b到到a a，带正电，带正电D.D.粒子从粒子从b b到到a a，带负电，带负电 a ab b 应应用用3 3带带电电粒粒子子A A（质质量量为为mm、电电量量为为q q）和和带带电电粒粒子子B B（质质量量为为4 4mm、电电量量为为2 2q q）垂垂直直磁磁感感线线射射入入同同一一匀匀强强磁磁场场中中（不计重力）（不计重力）（1 1）若若以以相相同同速速度度入入射射，则则轨轨道道半半径径之之比比R Ra a：R Rb b 周周期

5、期之之比比T Ta a：T Tb b 角速度之比角速度之比 a a：b b （2 2）若若以以相相同同动动量量入入射射，则则轨轨道道半半径径之之比比R Ra a：R Rb b 周周期期之之比比T Ta a：T Tb b 角速度之比角速度之比 a a：b b 应用应用4 4：带电粒子在电场和磁：带电粒子在电场和磁场共同存在的区域里运动，运场共同存在的区域里运动，运动情况又怎样？动情况又怎样？+-v vB B二、质谱仪二、质谱仪结构与原理结构与原理加速电场：加速电场：使带电粒子加速使带电粒子加速速度选择器：速度选择器：选择粒子选择粒子选出的粒子选出的粒子 v vE EB B1 1偏转磁场区：偏转磁

6、场区：使带电粒子轨迹发生偏转，并被拍照使带电粒子轨迹发生偏转，并被拍照因偏转半径因偏转半径 r rmv/qBmv/qB2 2故荷质比为故荷质比为 q/mq/mE/BE/B1 1B B2 2r r研究同位素（测荷质比）的装置研究同位素（测荷质比）的装置同位素：电荷量相同，同位素：电荷量相同，质量有微小差别的元素质量有微小差别的元素 质谱仪是由汤姆生的学生质谱仪是由汤姆生的学生阿斯顿（阿斯顿（F.W.Aston,1877-F.W.Aston,1877-1945)1945)发明的，他用质谱仪首先发明的，他用质谱仪首先得到了氖得到了氖-20-20和氖和氖-22-22的质谱的质谱线，证实了同位素的存在。

7、阿斯线，证实了同位素的存在。阿斯顿因发明质谱仪和发现非放射性顿因发明质谱仪和发现非放射性元素的同位素等贡献而获得元素的同位素等贡献而获得19221922年度诺贝尔化学奖年度诺贝尔化学奖如何敲开原子核的大门？如何敲开原子核的大门？要认识原子核内部的情况，必须把核要认识原子核内部的情况，必须把核“打打开开”进行进行“观察观察”。然而，原子核内部的质子和中子间有强大然而，原子核内部的质子和中子间有强大的核力，只有用极高能量的粒子作为的核力，只有用极高能量的粒子作为“炮炮弹弹”去轰击，才能把它去轰击，才能把它“打开打开”。产生这些高能炮弹的产生这些高能炮弹的“工厂工厂”就是各种各就是各种各样的粒子加速

8、器。样的粒子加速器。提升加速电压可以得到高能粒子，然而产提升加速电压可以得到高能粒子，然而产生过高电压的电压的技术是很困难的。生过高电压的电压的技术是很困难的。多级加速之直线加速器多级加速之直线加速器 由在高真空隧道内中由在高真空隧道内中N N个共轴金属圆筒构成。个共轴金属圆筒构成。每次粒子到达筒间间隙时，筒间有加速电场。每次粒子到达筒间间隙时，筒间有加速电场。筒内没有电场，粒子在筒内做匀速直线运动。筒内没有电场，粒子在筒内做匀速直线运动。产生电场的电源是交流电源。产生电场的电源是交流电源。缺点：占空间大。缺点：占空间大。为了解决上述矛盾，为了解决上述矛盾，19301930年年美国加利福尼亚州

9、伯克利加州大学美国加利福尼亚州伯克利加州大学的劳伦斯（的劳伦斯（Ernest Orlando Ernest Orlando Lawrence,1901Lawrence,19011958)1958)制成了世制成了世界上界上第一台回旋加速器第一台回旋加速器，其真空室，其真空室的直径只有的直径只有10.2cm.10.2cm.此后，劳伦斯此后，劳伦斯经过改进又制成了实用的回旋加速经过改进又制成了实用的回旋加速器。他因发明和发展了回旋加速器器。他因发明和发展了回旋加速器获得获得19391939年度年度诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖带电粒子每旋转半周到达空隙，即被加速带电粒子每旋转半周到达空隙，即被加速三、

10、回旋加速器三、回旋加速器结构与原理结构与原理“回旋回旋”区：区：两个两个D形盒子形盒子 处于真空、匀强磁场中处于真空、匀强磁场中加速区：加速区：两个两个D形盒子之间的空隙形盒子之间的空隙 空隙间有交变电场空隙间有交变电场 粒子速度增大，旋转半径也增大，但粒子速度增大，旋转半径也增大，但运转周期不变运转周期不变使带电粒子获得高能量的装置使带电粒子获得高能量的装置回旋加速器回旋加速器讨论与交流1 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时，如因速率运动时，如因速率v v增大引起增大引起r r增大，增大，其运动周期其运动周期T T是否变化？是否变化？盒缝宽度远小于盒半径，粒子

11、通过盒缝宽度远小于盒半径，粒子通过盒缝的时间可以忽略。为使带电粒盒缝的时间可以忽略。为使带电粒子每次经过两子每次经过两D D形盒的间隙时，恰能形盒的间隙时，恰能受到电场力作用且加速，高频电源受到电场力作用且加速，高频电源的周期的周期T T和频率和频率f f应符合什么要求？应符合什么要求？讨论与交流2 设回旋加速器设回旋加速器DD形盒的半径为形盒的半径为R R，匀强磁，匀强磁场的磁感应强度为场的磁感应强度为B B，则该回旋加速器最多可，则该回旋加速器最多可以将质量为以将质量为mm，电荷量为，电荷量为q q的带电粒子加速到的带电粒子加速到多大的速度？其最大速度取决于什么？多大的速度？其最大速度取决

12、于什么？2020世纪世纪3030年代末期，科学家年代末期，科学家们发现，被回旋加速器加速的粒子们发现，被回旋加速器加速的粒子的最大能量是受到限制的，其主要的最大能量是受到限制的，其主要原因是相对论效应。当能量很高时，原因是相对论效应。当能量很高时，粒子速度非常大，其质量增大就不粒子速度非常大，其质量增大就不能忽略了。因此，粒子绕行一周所能忽略了。因此，粒子绕行一周所需的时间也逐渐增大了。如果高频需的时间也逐渐增大了。如果高频电压的频率保持不变，电场力就可电压的频率保持不变，电场力就可能会对粒子的运动起阻碍作用。能会对粒子的运动起阻碍作用。回旋加速器的改进回旋加速器的改进 一种改进方案是在保持磁

13、场不一种改进方案是在保持磁场不变的情况下，令高频电压的频率随变的情况下，令高频电压的频率随粒子速度的增加而减小，使其与粒粒子速度的增加而减小，使其与粒子做圆周运动的频率保持同步，从子做圆周运动的频率保持同步，从而使电场力总是起到加速粒子的作而使电场力总是起到加速粒子的作用，按这一原理设计的加速器称为用，按这一原理设计的加速器称为同步回旋加速器。同步回旋加速器。另一种改进方案是让磁感强度另一种改进方案是让磁感强度随粒子随粒子动量动量的增加而同步增大，使的增加而同步增大，使得粒子能够保持在固定的圆周上运得粒子能够保持在固定的圆周上运动。同时，还要保证加速电场的频动。同时，还要保证加速电场的频率与粒

14、子做圆周运动的频率同步变率与粒子做圆周运动的频率同步变化。由于粒子始终在一个圆形轨道化。由于粒子始终在一个圆形轨道上运动，磁场区域可以大为缩小，上运动，磁场区域可以大为缩小，因此磁铁的重量也大为减轻。这种因此磁铁的重量也大为减轻。这种加速器称为同步加速器。加速器称为同步加速器。目前最大的目前最大的加速器是美加速器是美国费米国家国费米国家加速器实验加速器实验室的一台质室的一台质子同步加速子同步加速器，它可以器，它可以把质子加速把质子加速到到1000Gev1000Gev跨国的加速器跨国的加速器其它领域l磁流体发电机：磁流体发电机：教材教材P98P98第第4 4题题l磁流体发电机是一种直接将内能磁流

15、体发电机是一种直接将内能转化成电能的装置。转化成电能的装置。l若等离子气体的速度为若等离子气体的速度为v v，磁场的，磁场的磁感应强度为磁感应强度为B B，试讨论该发电机，试讨论该发电机的电动势（空载电压）。的电动势（空载电压）。中国三大高能物理研究装置中国三大高能物理研究装置（1 1）北京正负电子对撞机：始建于）北京正负电子对撞机：始建于19841984年年1010月月7 7日，日，19881988年年1010月建成，包括正负电子月建成，包括正负电子对撞机、北京谱仪（大型粒子探测器）和北对撞机、北京谱仪（大型粒子探测器）和北京同步辐射装置。北京正负电子对撞机的建京同步辐射装置。北京正负电子对

16、撞机的建成，为我国粒子物理和同步辐射的应用研究成，为我国粒子物理和同步辐射的应用研究开辟了广阔的前景。它的主要性能指标达到开辟了广阔的前景。它的主要性能指标达到2020世纪世纪8080年代国际先进水平，一些性能指标年代国际先进水平，一些性能指标迄今仍然是国际同类装置中最好的。迄今仍然是国际同类装置中最好的。（2 2）合肥同步辐射装置：始建于）合肥同步辐射装置：始建于19841984年年4 4月，月，19891989年年4 4月月2626日正式建成，迄今已建成日正式建成，迄今已建成5 5个实验站，接待了大量国内外用户，取得个实验站，接待了大量国内外用户，取得了大量有价值的成果。了大量有价值的成果

17、。（3 3）兰州重离子加速器：我国自行）兰州重离子加速器：我国自行研制的第一台重离子加速器，同时研制的第一台重离子加速器，同时也是我国到目前为止最高、可加速也是我国到目前为止最高、可加速的粒子种类最多、规模最大的重离的粒子种类最多、规模最大的重离子加速器。这是在世界上继法国、子加速器。这是在世界上继法国、日本之后的第三台同类大型回旋加日本之后的第三台同类大型回旋加速器，于速器，于19891989年年1111月投入正式运行，月投入正式运行，主要指标达到国际先进水平。主要指标达到国际先进水平。本课小结：本课小结：一、带电粒子在磁场中的运动一、带电粒子在磁场中的运动平行磁感线进入：平行磁感线进入：做

18、匀速直线运动做匀速直线运动垂直磁感线进入：垂直磁感线进入：做匀速圆周运动做匀速圆周运动半径：半径：RmvqB周期：周期：T2m qB二、质谱仪：二、质谱仪：研究同位素（测荷质比）的装置研究同位素（测荷质比）的装置由加速电场、速度选择器、偏转磁场组成由加速电场、速度选择器、偏转磁场组成三、回旋加速器：三、回旋加速器：使带电粒子获得高能量的装置使带电粒子获得高能量的装置由由D形盒、高频交变电场等组成形盒、高频交变电场等组成思考与交流：思考与交流：1 1、如图所示，回旋加速器的两、如图所示，回旋加速器的两D D形金属盒处于形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中，设匀强磁场的磁垂直于盒底面的匀强磁场中，

19、设匀强磁场的磁感应强度为感应强度为B B，D D形金属盒的半径为形金属盒的半径为R R，狭缝间，狭缝间的距离为的距离为d d，加速电压为，加速电压为U U，若要增大带电粒子，若要增大带电粒子（电荷量为（电荷量为q q、质量为、质量为m m，不计重力）射出时的，不计重力）射出时的动能，则下列方法哪些可行（动能，则下列方法哪些可行（）C D A A增大匀强电场间的加速电压增大匀强电场间的加速电压 B B减小狭缝间的距离减小狭缝间的距离C C增大磁场的磁感应强度增大磁场的磁感应强度 D D增大增大DD形金属盒的半径形金属盒的半径2、如图为质谱仪的原理图。电荷量为、如图为质谱仪的原理图。电荷量为q，质

20、量为，质量为m的带正电的带正电粒子从静止开始经过电势差为粒子从静止开始经过电势差为U的加速电场加速后，进入粒的加速电场加速后，进入粒子速度选择器，选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁子速度选择器，选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的场强为场，匀强电场的场强为E，方向水平向右。已知带电粒子能，方向水平向右。已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器，从够沿直线穿过速度选择器，从G点垂直于点垂直于MN进入偏转磁场。进入偏转磁场。该偏转磁场是一个以直线该偏转磁场是一个以直线MN为上边界、方向垂直于纸面向为上边界、方向垂直于纸面向外的匀强磁场。带电粒子经偏转磁场后，外的匀强磁场。带电粒子经偏转磁场后，最终到达照相底片上的最终到达照相底片上的H点。测得点。测得G、H间的距离为间的距离为 l，重力可忽略不计。，重力可忽略不计。求：求：粒子从加速电场射出时速度粒子从加速电场射出时速度v的大小。的大小。粒子速度选择器中匀强粒子速度选择器中匀强磁场的磁感应强度磁场的磁感应强度B1的大小和方向。的大小和方向。偏转磁场的磁感应强度偏转磁场的磁感应强度B2的大小。的大小。（1）（2）（3）多谢指导