洛倫茲力在現(xiàn)代科技上的應用(1)

1、精選ppt托卡馬克磁約束托卡馬克磁約束精選ppt第7節(jié) 洛倫茲力的應用精選ppt諾貝爾獎得主丁肇中諾貝爾獎得主丁肇中安裝在國際空間站上的安裝在國際空間站上的阿爾法磁譜儀阿爾法磁譜儀(A (A MS ),MS ),用于檢測有無反粒子和暗物質用于檢測有無反粒子和暗物質B Bx x1 1照相底片照相底片q q1/1/ m m1 1x x1 1x x3 3q q2/2/ m m2 2q q3/3/ m m3 3精選ppt一、速度選擇器一、速度選擇器思考：思考：1 1、P1P1、P2P2之間的電場方向之間的電場方向是向左還是向右？是向左還是向右？3 3、其他條件不變，把粒子改為負、其他條件不變，把粒子改

2、為負電荷，能通過嗎？電荷，能通過嗎？4 4、其它條件不變，粒子從下向、其它條件不變，粒子從下向上運動，能直線通過嗎？上運動，能直線通過嗎？5 5、其它條件不變，只改變粒子、其它條件不變，只改變粒子的電量或質量，能直線通過嗎？的電量或質量，能直線通過嗎？2 2、粒子在通過、粒子在通過S2S2、S3S3之間做勻之間做勻速直線運動的條件是什么？速直線運動的條件是什么？速度選擇器速度選擇器精選ppt要選擇：要選擇：不選擇：不選擇：構造：構造：條件：條件：正交的電磁場正交的電磁場不計重力不計重力速率：速率：方向：方向：且是唯一入射方向,EvBvBEv（速度速度）電性電性電量電量質量（微觀帶電粒子，質量（

3、微觀帶電粒子，G不計）不計）精選ppt 例例1. 圖示為一圖示為一“濾速器濾速器”裝置的示意圖裝置的示意圖.a、b為水平為水平放置的平行金屬板，一束具有各種不同速率的電子沿水平放置的平行金屬板，一束具有各種不同速率的電子沿水平方向經(jīng)小孔方向經(jīng)小孔O進入進入a、b兩板之間兩板之間.為了選取具有某種特定速為了選取具有某種特定速率的電子，可在率的電子，可在a、b間加上電壓，并沿垂直于紙面的方向間加上電壓，并沿垂直于紙面的方向加一勻強磁場，使所選電子仍能夠沿水平直線加一勻強磁場，使所選電子仍能夠沿水平直線OO運動，運動，由由O射出射出.不計重力作用不計重力作用.可能達到上述目的的辦法是可能達到上述目的

4、的辦法是()A.使使a板的電勢高于板的電勢高于b板，磁場方向垂直紙面向里板，磁場方向垂直紙面向里B.使使a板的電勢低于板的電勢低于b板，磁場方向垂直紙面向里板，磁場方向垂直紙面向里C.使使a板的電勢高于板的電勢高于b板，磁場方向垂直紙面向外板，磁場方向垂直紙面向外D.使使a板的電勢低于板的電勢低于b板，磁場方向垂直紙面向外板，磁場方向垂直紙面向外AD精選ppt. . . . . . . . .1p2p+-2s3s1s速度選擇器速度選擇器（E2、B1）照相底片照相底片質譜儀的示意圖質譜儀的示意圖利用電場加速利用電場加速利用磁場分離利用磁場分離（B2）6 6、測出條紋到狹縫、測出條紋到狹縫S3S3

5、的距離的距離L L，則粒子的荷，則粒子的荷質比是多少？質比是多少？測量帶電粒子的測量帶電粒子的質量質量和和分析同位素分析同位素的重要工具。的重要工具。20121mvqU qEqvB221 22EqmLBB氫核、氘核和氫核、氘核和 粒子哪個粒子打得遠？粒子哪個粒子打得遠？二、質譜儀二、質譜儀精選ppt例例2.2.如圖所示，如圖所示，a a、b b、c c、d d為四個正離子，電量相等，速為四個正離子，電量相等，速度大小關系為度大小關系為v va av vb b= v= vc cv vd d，質量關系為，質量關系為mma a= m= mb bmmc c= = mmd d，同時沿圖示方向進入粒子速度

6、選擇器后，一粒子射向，同時沿圖示方向進入粒子速度選擇器后，一粒子射向P P1 1板，一粒子射向板，一粒子射向P P2 2板，其余兩粒子通過速度選擇器后，板，其余兩粒子通過速度選擇器后，進入另一磁場，分別打在進入另一磁場，分別打在A A1 1和和A A2 2兩點。則射到兩點。則射到P P1 1板的是板的是_粒子，射到粒子，射到P P2 2板的是板的是_粒子，打在粒子，打在A A1 1點的是點的是_粒子，粒子，打在打在A A2 2點的是點的是_粒子。粒子。adbc精選ppt 例例3.如圖所示是測量帶電粒子質量的儀器的工作原如圖所示是測量帶電粒子質量的儀器的工作原理示意圖理示意圖.設法將某有機化合物

7、的氣態(tài)分子導入圖中所示設法將某有機化合物的氣態(tài)分子導入圖中所示的容器的容器A中，使它受到電子束轟擊，失去一個電子變成正中，使它受到電子束轟擊，失去一個電子變成正一價的分子離子一價的分子離子.分子離子從狹縫分子離子從狹縫S1以很小的速度進入電以很小的速度進入電壓為壓為U的加速電場區(qū)的加速電場區(qū)(初速不計初速不計)，加速后，再通過狹縫，加速后，再通過狹縫S2、S3射入磁感應強度為射入磁感應強度為B的勻強磁場，方向垂直于磁場區(qū)的的勻強磁場，方向垂直于磁場區(qū)的界面界面PQ.最后，分子離子打到感光片上，形成垂直于紙面最后，分子離子打到感光片上，形成垂直于紙面而且平行于狹縫而且平行于狹縫S3的細線的細線.

8、已知電子電量為已知電子電量為e.若測得細線若測得細線到狹縫到狹縫S3的距離為的距離為d，試推導分子離子的質量試推導分子離子的質量m的表達式的表達式.精選ppt三、磁流體發(fā)電機三、磁流體發(fā)電機P103(教材）教材）等粒子體等粒子體：即高溫下電離的氣：即高溫下電離的氣體，含有體，含有大量正、負帶電粒子大量正、負帶電粒子原理：原理：等離子氣體噴入磁場，等離子氣體噴入磁場，正、負離子在洛侖茲力作用下正、負離子在洛侖茲力作用下發(fā)生偏轉而聚集到發(fā)生偏轉而聚集到A、B板上，板上，產(chǎn)產(chǎn)生電勢差生電勢差. .精選ppt若在板外接電阻若在板外接電阻R R，此時通過，此時通過R R的電流的電流是多大？是多大？設設A

9、 A、B B平行金屬板的面積為平行金屬板的面積為S S，相距，相距d d，等離子體的電阻率為等離子體的電阻率為，噴入氣體，噴入氣體速度為速度為v，板間磁場的磁感強度為，板間磁場的磁感強度為B B，當當A A、B B板上聚焦的電荷最多時，板板上聚焦的電荷最多時，板間電勢差多大？間電勢差多大？電動勢電動勢U=BdVR中電流中電流I=ERr=BdVR dSBdVSRS d=精選ppt四、霍爾四、霍爾（E.C.Hall)效應效應P98(教材）教材） 在一個通有電流的導體板上，垂直于板面施在一個通有電流的導體板上，垂直于板面施加一磁場，則平行磁場的兩面出現(xiàn)一個電勢差，加一磁場，則平行磁場的兩面出現(xiàn)一個電

10、勢差，這一現(xiàn)象是這一現(xiàn)象是18791879年美國物理學家霍耳發(fā)現(xiàn)的，稱年美國物理學家霍耳發(fā)現(xiàn)的，稱為為霍耳效應霍耳效應。該電勢差稱為霍耳電勢差。該電勢差稱為霍耳電勢差 ?；舳舳伎迹喝绻娏魇秦撾姾啥ㄏ蛞苿有纬傻?，則電勢哪端高？思考：如果電流是負電荷定向移動形成的，則電勢哪端高？正電荷呢？正電荷呢？精選ppt例例4.4.厚度為厚度為h h、寬度為、寬度為d d的金屬板放在垂直于磁感應強度為的金屬板放在垂直于磁感應強度為B B的的勻強磁場中，已知金屬導體單位體積中的自由電子數(shù)為勻強磁場中，已知金屬導體單位體積中的自由電子數(shù)為n n，電子，電子電量為電量為e e，則當電流，則當電流 I I 流過

11、導體時，在導體板上下側面間會產(chǎn)生流過導體時，在導體板上下側面間會產(chǎn)生電勢差電勢差U U，證明電勢差，證明電勢差U U、電流、電流I I和和B B的關系為：的關系為：neSvI dIBKU eBvehUnedBIU neK1K叫霍爾系數(shù)叫霍爾系數(shù)精選ppt如圖所示，一圓形導管直徑為如圖所示，一圓形導管直徑為d，用非磁性材料制成，用非磁性材料制成，其中有可以導電的液體以速度其中有可以導電的液體以速度v流過導管流過導管洛倫茲力洛倫茲力電勢差電勢差平衡平衡五、電磁流量計五、電磁流量計原理原理:導電液體中的自由電荷（正、負離子）導電液體中的自由電荷（正、負離子）在在 作用下橫向偏轉，作用下橫向偏轉，a、

12、b間出間出現(xiàn)現(xiàn) ，形成電場。當自由電荷所受電場，形成電場。當自由電荷所受電場力和洛倫茲力力和洛倫茲力 時，時，a、b間有穩(wěn)定的電勢間有穩(wěn)定的電勢差差U，則液體的流速為，則液體的流速為 液體的流量液體的流量為為 。精選ppt 例例5.5.醫(yī)生做某些特殊手術時，利用電磁血流計來監(jiān)測通過動脈的血流速醫(yī)生做某些特殊手術時，利用電磁血流計來監(jiān)測通過動脈的血流速度電磁血流計由一對電極度電磁血流計由一對電極a a和和b b以及一對磁極以及一對磁極N N和和S S構成，磁極間的磁構成，磁極間的磁場是均勻的使用時，兩電極場是均勻的使用時，兩電極a a、b b均與血管壁接觸，兩觸點的連線、磁均與血管壁接觸，兩觸點

13、的連線、磁場方向和血流速度方向兩兩垂直如圖所示由于血液中的正負離子隨場方向和血流速度方向兩兩垂直如圖所示由于血液中的正負離子隨血流一起在磁場中運動，電極血流一起在磁場中運動，電極a a、b b之間會有微小電勢差在達到平衡時，之間會有微小電勢差在達到平衡時，血管內部的電場可看作是勻強電場，血液中的離子所受的電場力和磁場血管內部的電場可看作是勻強電場，血液中的離子所受的電場力和磁場力的合力為零力的合力為零在某次監(jiān)測中，兩觸點間的距離為在某次監(jiān)測中，兩觸點間的距離為3.0 mm3.0 mm，血管壁的，血管壁的厚度可忽略，兩觸點間的電勢差為厚度可忽略，兩觸點間的電勢差為160 V160 V，磁感應強度

14、的大小為，磁感應強度的大小為0.040 T0.040 T則血流速度的近似值和電極則血流速度的近似值和電極a a、b b的正負為的正負為A1.3 m/s，a正、正、b負負B2.7 m/s，a正、正、b負負 C1.3 m/s，a負、負、b正正 D2.7 m/s，a負、負、b正正A精選ppt五、回旋加速器五、回旋加速器思考：思考：怎樣獲得高能的粒子？怎樣獲得高能的粒子？1.1.加速原理：利用加速電場對帶電粒子做加速原理：利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電粒子的動能增加，正功使帶電粒子的動能增加，qU=qU= EkEk2.2.直線加速器，多級加速直線加速器，多級加速 如圖所示是多級加速裝置的原理圖：如

15、圖所示是多級加速裝置的原理圖：U Um mq q一一級級二二級級三三級級U UU UU Un n級級粒子獲得的能量：粒子獲得的能量：E=nqUE=nqU勻速直線運動勻速直線運動加速運動加速運動精選ppt 電源為交流電源電源為交流電源，當離子在各筒內穿過的時間都為，當離子在各筒內穿過的時間都為t=T/2時，時，離子才有可能每次通過圓筒間縫隙都被加速離子才有可能每次通過圓筒間縫隙都被加速.直線加速器直線加速器精選ppt電子直線加速器管長電子直線加速器管長3050米米解決上述困難解決上述困難的一個途徑是的一個途徑是把加速電場把加速電場“卷起來卷起來”，用，用磁場控制軌跡磁場控制軌跡，用電場進行，用電

16、場進行加速。加速。精選ppt1932年，美國物理學家年，美國物理學家勞侖斯勞侖斯發(fā)明了發(fā)明了從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進了從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進了一大步為此，勞侖斯榮獲了一大步為此，勞侖斯榮獲了1939年諾貝爾物理學年諾貝爾物理學獎獎精選ppt(2)原理：粒子在勻強原理：粒子在勻強磁場中每轉半周磁場中每轉半周即能在即能在電電場中加速場中加速一次，從而使粒子獲得高速。一次，從而使粒子獲得高速。(1)結構：結構：核心部件：兩個形盒。核心部件：兩個形盒。中間留一中間留一窄窄縫，縫，中間中間放粒子源放粒子源，置于巨大電磁鐵兩極間，兩盒接，置于巨大電磁鐵兩極間，兩盒接高

17、頻電源高頻電源。精選pptmBq 2 mBq 3 mBq U0t思考：保證粒子始終被加速思考：保證粒子始終被加速,交變電場的周期與粒子回旋的周期交變電場的周期與粒子回旋的周期有什么樣的關系？有什么樣的關系？(3)加速條件：高頻電源的周期與加速條件：高頻電源的周期與帶電粒子的周期相同，帶電粒子的周期相同， T電場電場 = T回旋回旋 =2mq Bv增大，增大，r增大，但增大，但T始終不變。始終不變。（4）粒子在一個周期加）粒子在一個周期加速兩次速兩次.精選pptmqBRvm（5）粒子獲得最大速度）粒子獲得最大速度qBmvRmmqBR2)(2（6）粒子獲得最大動能）粒子獲得最大動能221mkmmv

18、E假設由你來設計一臺回旋加假設由你來設計一臺回旋加速度器，要求能使帶電粒子速度器，要求能使帶電粒子獲得更高的能量，你打算采獲得更高的能量，你打算采用哪些措施？用哪些措施？提高電源電壓？提高電源電壓？加大加大D D形盒的半徑？形盒的半徑？增加磁感應強度？增加磁感應強度？精選pptmqBR2)(2221mkmmvE1、與加速電壓與加速電壓U無關無關2、與加速次數(shù)、與加速次數(shù)n無關無關3、與、與D形盒間的距離形盒間的距離d無關無關（本身（本身U q = Ek就與就與d無關）無關）問：按理說問：按理說U越大，獲得的能量應該越大？為什么越大，獲得的能量應該越大？為什么最終的最大動能與最終的最大動能與U還無關呢？還無關呢？nqU = Ekm nU乘積為一個定值乘積為一個定值精選ppt精選ppt（7）粒子在磁場中運動的時間：）粒子在磁場中運動的時間：設粒子回旋的圈數(shù)為設粒子回旋的圈數(shù)為N，則加速的次數(shù)應該為，則加速的次數(shù)應該為2NmRBqNqU22222NTt 磁UBRt22磁（8）粒子在電場中運動的時間：）粒子在電場中運動的時間：2221212電電tmdqUatNdUdBRt電（9）粒子在加旋加速器中運動的時間：）粒子在加旋加速器中運動的時間：UBRUdRBRtt