1.4洛倫茲力的應(yīng)用課件高二下學(xué)期物理教科版選擇性

洛倫茲力的應(yīng)用現(xiàn)實(shí)生活中，用洛倫茲力控制電荷運(yùn)動(dòng)，在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。例如：電視機(jī)顯像、質(zhì)譜儀、回旋加速器等。利用磁場控制帶電粒子運(yùn)動(dòng)如圖所示,圓形勻強(qiáng)磁場的半徑為r,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,帶電粒子質(zhì)量為m,電荷量為q,速度為v0。經(jīng)過磁場偏轉(zhuǎn)了θ角,則tan

=

,R=

,故tan

=

,可見,對(duì)于一定的帶電粒子,可以通過改變B和v0

的大小來控制粒子的偏轉(zhuǎn)角度θ。

速度選擇器一、速度選擇器

1、裝置及要求如圖1，兩極板間存在勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場，二者方向互相垂直，帶電粒子從左側(cè)射入，不計(jì)粒子重力.思考：若欲使帶電粒子能夠沿直線勻速通過，速度需要滿足什么條件？EB速度選擇器只對(duì)選擇的粒子的速度有要求，而對(duì)粒子的質(zhì)量、電荷量大小及帶電正、負(fù)無要求.當(dāng)F電＝F洛

時(shí)，粒子才沿圖示的直線運(yùn)動(dòng)，即：特點(diǎn)：2、當(dāng)

時(shí)，粒子向F洛方向偏轉(zhuǎn)，F(xiàn)電做負(fù)功，粒子的動(dòng)能減小，電勢能增大.3、當(dāng)

時(shí)，粒子向F電方向偏轉(zhuǎn)，F(xiàn)電做正功，粒子的動(dòng)能增大，電勢能減小.1、當(dāng)時(shí)，粒子作勻速直線運(yùn)動(dòng)。例1、(多選)如圖所示，在帶電的兩平行金屬板間有相互垂直的勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，勻強(qiáng)電場場強(qiáng)為E，現(xiàn)有一電子以速度v0平行金屬板射入場區(qū)，則（）BC質(zhì)譜儀

在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要將一束帶等量電荷的粒子分開，以便知道其中所含物質(zhì)的成分。你能如何分離不同比荷的帶電粒子？對(duì)帶電粒子有力的作用電場磁場使帶電粒子加速使帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)

m不同，r不同，從而可以分開1、質(zhì)譜儀：利用磁場對(duì)帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，由帶電粒子的電荷量、

軌道半徑確定其質(zhì)量的儀器。2、結(jié)構(gòu)及作用：①電離室：使中性氣體電離，產(chǎn)生帶電粒子②加速電場：使帶電粒子獲得速度③粒子速度選擇器：以相同速度進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場④偏轉(zhuǎn)磁場：使不同帶電粒子偏轉(zhuǎn)分離⑤照相底片：記錄不同粒子偏轉(zhuǎn)位置及半徑電離室加速電場偏轉(zhuǎn)磁場照相底片速度選擇器(1)電場中加速：由動(dòng)能定理得：由此可得：3、原理：(2)磁場中偏振：向心力為受的洛倫茲力提供，即所以粒子的軌道半徑為由于粒子的荷質(zhì)比不同，則做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑也不同，因此打到不同的位置。(1)電場中加速：

4、裝置改進(jìn)：原理圖

加速電場速度選擇器

(3)磁場中偏轉(zhuǎn)：5、作用：原理圖

加速電場速度選擇器(1)可測粒子的質(zhì)量及比荷(2)與已知粒子半徑對(duì)比可發(fā)現(xiàn)未知的元素和同位素例2、如圖所示，一束帶電粒子以一定的初速度沿直線通過由相互正交的勻強(qiáng)磁場（磁感應(yīng)強(qiáng)度為B）和勻強(qiáng)電場（電場強(qiáng)度為E）組成的速度選擇器，然后通過狹縫P進(jìn)入另一勻強(qiáng)磁場（磁感應(yīng)強(qiáng)度為B’），最終打在A1A2上，粒子重力不計(jì)。下列表述正確的是（

）A.粒子帶負(fù)電B.能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于E/BC.粒子打在A1A2的位置越靠近P，粒子的比荷q/m越大D.所有打在A1A2上的粒子，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B’的磁場中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間都相同BC回旋加速器要認(rèn)識(shí)原子核內(nèi)部的情況，必須把核“打開”進(jìn)行“觀察”。然而，原子核被強(qiáng)大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為“炮彈”去轟擊，才能把它“打開”產(chǎn)生這些高能“炮彈”的“工廠”就是各種各樣的粒子加速器。設(shè)電子進(jìn)入第n個(gè)圓筒后的速度為v，根據(jù)動(dòng)能定理有：得直線加速器由于粒子在加速過程中的徑跡為直線，要得到較高動(dòng)能的粒子，其加速裝置要很長。歐洲質(zhì)子加速器斯坦福大學(xué)的加速器能不能設(shè)計(jì)一種既能實(shí)現(xiàn)多次加速，又能減少占地空間的加速器呢？如果帶電粒子在一次加速后又轉(zhuǎn)回來被第二次加速，如此往復(fù)“轉(zhuǎn)圈圈”式地被加速，加速器裝置所占的空間就會(huì)大大縮小。而磁場正好能使帶電粒子“轉(zhuǎn)圈圈”，于是，人們依據(jù)這個(gè)思路設(shè)計(jì)出了用磁場控制軌道、用電場進(jìn)行加速的回旋加速器。1932年物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實(shí)現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)對(duì)帶電粒子進(jìn)行多次加速。勞倫斯第一臺(tái)回旋加速器1、概念：利用電場對(duì)電荷的加速作用和磁場對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的偏轉(zhuǎn)作用，在較小的范圍內(nèi)來獲得高能粒子的裝置。原理圖2、結(jié)構(gòu)及作用：①兩個(gè)大磁極：在帶電粒子運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的勻強(qiáng)磁場，使帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。②兩個(gè)D形盒：D形盒內(nèi)部有磁場沒有電場。使帶電粒子的圓周運(yùn)動(dòng)不受電場影響。③D形盒間的窄縫：使帶電粒子在這一區(qū)間被電場加速。④交變電場：交變電場的周期等于粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期。使帶電粒子在D形盒間的窄縫被加速。3、工作原理：（1）磁場的作用是什么？寫出粒子進(jìn)入磁場后半徑表達(dá)式？周期？粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)？接高頻電源狹縫原理圖粒子源

由：得：+-v1+-v2v3v4vm(2)回旋加速器中電場的作用是什么？電場的作用是使帶電粒子加速。接高頻電源狹縫原理圖粒子源

（3）為了保證帶電粒子每次到達(dá)D形盒縫隙間都能被加速，那D形盒縫隙的電場方向應(yīng)該是恒定的還是變化的呢？由于粒子在D型盒內(nèi)每回旋半圈，進(jìn)入盒縫間就需要加速一次，因此類似于多級(jí)直線加速器，電場方向應(yīng)該是變化的。接高頻電源狹縫原理圖

粒子源

（4）電場要如何要如何設(shè)置才能保證電荷被加速？帶電粒子在D形盒中運(yùn)行的周期：加速條件每過電場方向要改變一次，以保證帶電粒子始終被加速。(5)帶電粒子獲得的最大動(dòng)能由哪些因素決定？若D形盒的最大半徑為R，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，由

得粒子獲得的最大速度:最大動(dòng)能決定于D型盒的半徑r和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，與加速電壓大小無關(guān)。。.接高頻電源狹縫原理圖粒子源

想一想：加速電壓的大小會(huì)影響什么呢?(6)帶電粒子在回旋加速器中被加速的次數(shù)是多少？粒子獲得的最大速度：粒子每加速一次增加的能量：粒子加速次數(shù)：接高頻電源狹縫原理圖粒子源

加速電壓的大小會(huì)影響粒子的加速次數(shù)。(7)帶電粒子在回旋加速器磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)間是多少？粒子一個(gè)周期內(nèi)被加速兩次粒子加速次數(shù)：粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：接高頻電源狹縫原理圖粒子源

4、回旋加速器的局限性

例3、（多選）1932年勞倫斯制成了世界上第一臺(tái)回旋加速器，其原理如圖所示，這臺(tái)加速器由兩個(gè)銅質(zhì)D形盒D1、D2構(gòu)成，其間留有空