速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)專題

1、常見的復(fù)合場(chǎng)在電、磁場(chǎng)中，若不計(jì)重力，則：在電、磁場(chǎng)中，若不計(jì)重力，則： 在如圖所示的平行板器件中，在如圖所示的平行板器件中，電場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度E E和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度B B相互垂相互垂直，具有不同水平速度的帶電粒子直，具有不同水平速度的帶電粒子射入后發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情況不同。射入后發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情況不同。 這種裝置能把具有某一特定速度這種裝置能把具有某一特定速度的粒子選擇出來，的粒子選擇出來，勻速（或者說沿勻速（或者說沿直線）通過直線）通過,所以叫速度選擇器。所以叫速度選擇器。 思考思考 ：其他條件不變，把粒子改為負(fù)電荷，能通過嗎？：其他條件不變，把粒子改為負(fù)電荷，能通過嗎？電場(chǎng)、磁場(chǎng)方向不變，粒

2、子從右向左運(yùn)動(dòng)，能直線通過嗎？電場(chǎng)、磁場(chǎng)方向不變，粒子從右向左運(yùn)動(dòng)，能直線通過嗎？Eq=Bqv即即v=E/B速度選擇器：速度選擇器： 速度選擇器只選擇速度，與電荷的正負(fù)無關(guān)；速度選擇器只選擇速度，與電荷的正負(fù)無關(guān)； 帶電粒子必須以唯一確定的速度（包括大小、方向）才能帶電粒子必須以唯一確定的速度（包括大小、方向）才能勻速（或者說沿直線）通過速度選擇器。勻速（或者說沿直線）通過速度選擇器。否則偏轉(zhuǎn)。否則偏轉(zhuǎn)。3.3.注意電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向搭配。注意電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方向搭配。 v 將向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)力將做負(fù)功，動(dòng)能將減小，將向洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)力將做負(fù)功，動(dòng)能將減小，洛倫茲力也將減小，軌跡是一

3、條復(fù)雜曲線。洛倫茲力也將減小，軌跡是一條復(fù)雜曲線。若速度小于這一速度？若速度小于這一速度？電場(chǎng)力將大于洛倫茲力，帶電粒子向電場(chǎng)力方向偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)力將大于洛倫茲力，帶電粒子向電場(chǎng)力方向偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)力做正功，動(dòng)能將增大，洛倫茲力也將增大；電場(chǎng)力做正功，動(dòng)能將增大，洛倫茲力也將增大；若大于這一速度？若大于這一速度？速度選擇器+BEv=E/BvE/BFfFf當(dāng)Ff時(shí)，EqBqv即：vE/B時(shí)，粒子作曲線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)F=f時(shí)，Eq=Bqv即：v=E/B時(shí)，粒子作勻速直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)Ff時(shí)，EqE/B時(shí)，粒子作曲線運(yùn)動(dòng)。vE/B1. 1. 在兩平行金屬板間有正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻在兩平行金屬板間有正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)

4、，一個(gè)帶電粒子垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)方強(qiáng)磁場(chǎng)，一個(gè)帶電粒子垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向射入場(chǎng)中，射出時(shí)粒子的動(dòng)能減少了，為向射入場(chǎng)中，射出時(shí)粒子的動(dòng)能減少了，為了使粒子射出時(shí)動(dòng)能增加，在不計(jì)重力的情了使粒子射出時(shí)動(dòng)能增加，在不計(jì)重力的情況下，可采取的辦法是：況下，可采取的辦法是：A.A.增大粒子射入時(shí)的速度增大粒子射入時(shí)的速度B.B.減小磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度減小磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度C.C.增大電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度增大電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度D.D.改變粒子的帶電性質(zhì)改變粒子的帶電性質(zhì)BC2 2如圖所示是粒子速度選擇器的原理圖，如果粒子所如圖所示是粒子速度選擇器的原理圖，如果粒子所具有的速率具有的速率v=E/Bv=E/B，那么，那么

5、: ( ): ( )A A帶正電粒子必須沿帶正電粒子必須沿abab方向從左側(cè)進(jìn)入場(chǎng)區(qū)，才能沿方向從左側(cè)進(jìn)入場(chǎng)區(qū)，才能沿直線通過直線通過B. B. 帶負(fù)電粒子必須沿帶負(fù)電粒子必須沿baba方向從右側(cè)進(jìn)入場(chǎng)區(qū)，才能沿方向從右側(cè)進(jìn)入場(chǎng)區(qū)，才能沿直線通過直線通過C C不論粒子電性如何，沿不論粒子電性如何，沿abab方向從左側(cè)進(jìn)入場(chǎng)區(qū)，都方向從左側(cè)進(jìn)入場(chǎng)區(qū)，都能沿直線通過能沿直線通過D. D. 不論粒子電性如何，沿不論粒子電性如何，沿baba方向從右側(cè)進(jìn)入場(chǎng)區(qū)，都方向從右側(cè)進(jìn)入場(chǎng)區(qū)，都能沿直線通過能沿直線通過cBC 磁流體發(fā)電是一項(xiàng)新興技術(shù)，它可以把物體的內(nèi)磁流體發(fā)電是一項(xiàng)新興技術(shù)，它可以把物體的內(nèi)能直

6、接轉(zhuǎn)化為電能，右圖是它的示意圖，平行金屬板能直接轉(zhuǎn)化為電能，右圖是它的示意圖，平行金屬板A A、B B之間有一個(gè)很強(qiáng)的磁場(chǎng)，將一束等粒子體（即高溫下之間有一個(gè)很強(qiáng)的磁場(chǎng)，將一束等粒子體（即高溫下電離的氣體，含有大量正、負(fù)帶電粒子）噴入磁場(chǎng)，電離的氣體，含有大量正、負(fù)帶電粒子）噴入磁場(chǎng)，ABAB兩板間便產(chǎn)生電壓。如果把兩板間便產(chǎn)生電壓。如果把ABAB和用電器連接，和用電器連接，ABAB就就是一個(gè)直流電源的兩個(gè)電極。是一個(gè)直流電源的兩個(gè)電極。流體：流體：等粒子體等粒子體 目的：目的：發(fā)電發(fā)電d原理原理負(fù)負(fù)電電荷荷B正電荷正電荷 Eq=Bqv磁流體發(fā)電機(jī)磁流體發(fā)電機(jī)Eq=Bqv1 1、圖中、圖中AB

7、AB板哪一個(gè)是電源的正極？板哪一個(gè)是電源的正極？2 2、此發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)？（兩板距離為、此發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)？（兩板距離為d d，磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度為為B B，等離子速度為，等離子速度為v v，電量為，電量為q q）B板板qvBdUq圖是電磁流量計(jì)的示意圖，在非磁性材料做成的圓管圖是電磁流量計(jì)的示意圖，在非磁性材料做成的圓管道外加一勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，當(dāng)管中的導(dǎo)電液體流過此磁道外加一勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，當(dāng)管中的導(dǎo)電液體流過此磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，測(cè)出管壁上的場(chǎng)區(qū)域時(shí)，測(cè)出管壁上的abab兩點(diǎn)間的電動(dòng)勢(shì)兩點(diǎn)間的電動(dòng)勢(shì)U U，就可，就可以知道管中液體的流量以知道管中液體的流量Q-Q-單位時(shí)間內(nèi)流過液體的體單位時(shí)間內(nèi)流過

8、液體的體積（積（m m3 3/s/s）。已知管的直徑為）。已知管的直徑為D D，磁感應(yīng)強(qiáng)度為，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B，試，試推出推出Q Q與與U U的關(guān)系表達(dá)式。的關(guān)系表達(dá)式。流體為：流體為：導(dǎo)電液體導(dǎo)電液體 目的：目的：測(cè)流量測(cè)流量3 3、電磁流量計(jì)、電磁流量計(jì)Bqv=Eq=qu/d得得v=U/Bd流量：流量：Q=Sv=dU/4Bdba 導(dǎo)導(dǎo)電電液液體體若管道為其他形狀若管道為其他形狀, ,如矩形呢如矩形呢? ?ab液體圖9-31+_導(dǎo)電液體BE+ +_ _ _ _+ +_ _ _ _Uab2UqBqvEqdEUvBBdVvtdUdQttB4、 霍耳（霍耳（E.C.Hall)效應(yīng)效應(yīng) 在一個(gè)通有

9、電流的導(dǎo)體板上，垂直于板在一個(gè)通有電流的導(dǎo)體板上，垂直于板面施加一磁場(chǎng)，則平行磁場(chǎng)的兩面出現(xiàn)一個(gè)面施加一磁場(chǎng)，則平行磁場(chǎng)的兩面出現(xiàn)一個(gè)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象是電勢(shì)差，這一現(xiàn)象是18791879年美國物理學(xué)家霍年美國物理學(xué)家霍耳發(fā)現(xiàn)的，稱為霍耳效應(yīng)。該電勢(shì)差稱為耳發(fā)現(xiàn)的，稱為霍耳效應(yīng)。該電勢(shì)差稱為霍霍耳電勢(shì)差耳電勢(shì)差 ?；舳舳?HUdb1V2VmFveFHEBI HUdb1V2VmFveFHEBI 霍爾元件霍爾元件abBAAIvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvfvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv

10、vvIAA 質(zhì)譜儀是一種分析同位素、測(cè)定帶電粒子比荷質(zhì)譜儀是一種分析同位素、測(cè)定帶電粒子比荷及測(cè)定帶電粒子質(zhì)量的重要工具。及測(cè)定帶電粒子質(zhì)量的重要工具。5、質(zhì)譜儀、質(zhì)譜儀.2s3s1s照相底片照相底片質(zhì)譜儀的示意圖質(zhì)譜儀的示意圖5、質(zhì)譜儀、質(zhì)譜儀利用電場(chǎng)加速利用電場(chǎng)加速利用磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)利用磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)例題：一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子，從容器下方的小孔S1飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng)，然后經(jīng)過S3沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打到照相底片D上（圖3.6-4）。求粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率。求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。質(zhì)譜儀最初是由湯姆生的學(xué)生阿斯頓設(shè)計(jì)的，他用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了氖20和氖

11、22，證實(shí)了同位素的存在。現(xiàn)在質(zhì)譜儀已經(jīng)是一種十分精密的儀器，是測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具。帶電粒子在汽泡室運(yùn)動(dòng)徑跡的照片。有的粒子運(yùn)動(dòng)過程中能量降低，速度減小，徑跡就呈螺旋形。 例例7 7、質(zhì)譜儀是一種測(cè)定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重質(zhì)譜儀是一種測(cè)定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具，它的構(gòu)造原理如圖，離子源要工具，它的構(gòu)造原理如圖，離子源S S產(chǎn)生的各種不同正離子產(chǎn)生的各種不同正離子束束( (速度可看作為零速度可看作為零) )，經(jīng)加速電場(chǎng)加速后垂直進(jìn)入有界勻強(qiáng)，經(jīng)加速電場(chǎng)加速后垂直進(jìn)入有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)，到達(dá)記錄它的照相底片磁場(chǎng)，到達(dá)記錄它的照相底片P P上，設(shè)離子在上，設(shè)離子在P

12、 P上的位置到入上的位置到入口處口處S S1 1的距離為的距離為x x，可以判斷，可以判斷 A A、若離子束是同位素，則、若離子束是同位素，則x x越大，離子質(zhì)量越大越大，離子質(zhì)量越大 B B、若離子束是同位素，則、若離子束是同位素，則x x越大，離子質(zhì)量越小越大，離子質(zhì)量越小 C C、只要、只要x x相同，則離子質(zhì)量一定相同相同，則離子質(zhì)量一定相同 D D、只要、只要x x相同，則離子的荷質(zhì)比一定相同相同，則離子的荷質(zhì)比一定相同 例例8 8、如圖所示，一質(zhì)量為如圖所示，一質(zhì)量為m m，電荷量為，電荷量為q q的粒子從容器的粒子從容器A A下方小孔下方小孔S S1 1飄入電勢(shì)差為飄入電勢(shì)差為U

13、=U=800V800V的加速電場(chǎng)，然后經(jīng)過的加速電場(chǎng)，然后經(jīng)過S S3 3沿沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B=0.40T=0.40T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打到底片中，最后打到底片D D上上. .測(cè)得粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為測(cè)得粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為r=5cmr=5cm。求帶電粒子的比荷是多少？。求帶電粒子的比荷是多少？c/kg100 . 46答案：答案：6、回旋加速器、回旋加速器1.加速原理：利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正功使帶電粒子的動(dòng)能增加，qU=Ek2.2.直線加速器，多級(jí)加速直線加速器，多級(jí)加速 如圖所示是多級(jí)加速裝置的原理圖：如

14、圖所示是多級(jí)加速裝置的原理圖：3.3.困難：技術(shù)上不能產(chǎn)生過高電壓；加速設(shè)備長。困難：技術(shù)上不能產(chǎn)生過高電壓；加速設(shè)備長。三、回旋加速器三、回旋加速器 解決上述困難的一個(gè)途徑是把加速電場(chǎng)解決上述困難的一個(gè)途徑是把加速電場(chǎng)“卷起來卷起來”，用磁場(chǎng)控制軌跡，用電場(chǎng)進(jìn)行加速。用磁場(chǎng)控制軌跡，用電場(chǎng)進(jìn)行加速。 回旋加速器的核心部分是回旋加速器的核心部分是形金屬盒，形金屬盒，兩兩形盒之間留有窄縫，中心附近放置離形盒之間留有窄縫，中心附近放置離子源子源( (如質(zhì)子、氘核或如質(zhì)子、氘核或 粒子源等粒子源等) )。在兩。在兩形盒間接上交流電源于是在縫隙里形成形盒間接上交流電源于是在縫隙里形成一個(gè)交變電場(chǎng)。一個(gè)

15、交變電場(chǎng)。形盒裝在一個(gè)大的真空形盒裝在一個(gè)大的真空容器里，整個(gè)裝置放在巨大的電磁鐵兩極容器里，整個(gè)裝置放在巨大的電磁鐵兩極之間的強(qiáng)大磁場(chǎng)中，這磁場(chǎng)的方向垂直于之間的強(qiáng)大磁場(chǎng)中，這磁場(chǎng)的方向垂直于形盒的底面。形盒的底面。V0V1V2V3V4V5 1、電場(chǎng)、磁場(chǎng)在粒子、電場(chǎng)、磁場(chǎng)在粒子運(yùn)動(dòng)過程中起什么作用？運(yùn)動(dòng)過程中起什么作用？ 2、粒子回旋一周需要多長時(shí)間？、粒子回旋一周需要多長時(shí)間？電場(chǎng)電場(chǎng)加速作用加速作用磁場(chǎng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)作用偏轉(zhuǎn)作用T=2m/qB同步條件同步條件T圓周圓周交流交流6、回旋加速器、回旋加速器回旋加速器的局限性回旋加速器的局限性（1 1）D D形盒半徑不能無限增大形盒半徑不能無限增大（2 2）受相對(duì)論效應(yīng)制約，質(zhì)量隨速度而增大，周）受相對(duì)論效應(yīng)制約，質(zhì)量隨速度而增大，周期期T T變化。變化。mRBqE22022kBqmT2 練習(xí)：回旋加速器中磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為練習(xí)：回旋加速器中磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B，D D形盒的直徑為形盒的直徑為d d，用該回旋加速器加速質(zhì)量為，用該回旋加速器加速質(zhì)量為m m、電量為電量為q q的粒子，設(shè)粒子加速前的初速度為零。的粒子，設(shè)粒子加速前的初速度為零。求：求：（1 1） 粒子的回轉(zhuǎn)周期是多大？