帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用(典例內(nèi)容全)

1、帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用,.,思考問(wèn)題1：,V,+q,一電量為q的帶正電的粒子以速度v射入勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)相互正交的場(chǎng)區(qū)中，電場(chǎng)強(qiáng)度為E，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，該帶電粒子可能做什么樣的運(yùn)動(dòng)？(重力不計(jì)）,.,一.速度選擇器,【例1】 某帶電粒子從圖中速度選擇器左端由中點(diǎn)O以速度v0向右射去，從右端中心a下方的b點(diǎn)以速度v1射出；若增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B，該粒子將打到a點(diǎn)上方的c點(diǎn)，且ac=ab，則該粒子帶_ 電；第二次射出時(shí)的速度為_(kāi).若要使粒子從a 點(diǎn)射出,則B= .,正,E/V0,c,a,b,.,如圖所示，一束正離子垂直射入正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有些離子仍保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向，

2、未發(fā)生任何偏轉(zhuǎn)如果讓這些不偏轉(zhuǎn)的離子進(jìn)入另一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，發(fā)現(xiàn)這些離子又分成幾束，對(duì)這些進(jìn)入另一磁場(chǎng)的離子，可得出結(jié)論（ ） A它們的動(dòng)能一定各不相同 B它們的電荷量一定各不相同 C它們的質(zhì)量一定各不相同 D它們的電荷量與質(zhì)量之比一定各不相同,訓(xùn)練1：,D,.,二質(zhì)譜儀,構(gòu)造:主要由靜電加速器、速度選擇器、偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、顯示屏 等組成. 如圖所示：帶電粒子注入器；加速電場(chǎng)（U）；速度選擇器（B1、E）；偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（B2）；照相底片。,作用: 測(cè)定帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素.,.,【例2】質(zhì)譜儀由靜電加速器、速度選擇器、偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和顯示屏等組成帶電粒子從容器下方的小孔進(jìn)入加速電場(chǎng)，其初速度幾乎為零若帶電粒

3、子最后打在照相底片的P點(diǎn),現(xiàn)測(cè)得P到入口S的距離為x,已知B1，B2，E，求該帶電粒子的比荷(U未知),答案:,.,思考問(wèn)題2：,一束等離子體（由等量的+q和-q組成）以恒定速度v射入平行板電容器中，極板原來(lái)不帶電，板間距為d,中間存在垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，帶電粒子將會(huì)如何運(yùn)動(dòng)？穩(wěn)定時(shí)上下兩板的電勢(shì)差為多大？(重力不計(jì),設(shè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的離子都打在了極板上）,+q,-q,V,U=Bdv,.,其等離子氣體噴入磁場(chǎng)，正、負(fù)離子在洛倫茲力作用下發(fā)生上下偏轉(zhuǎn)而聚集到兩極板上，在兩極板上產(chǎn)生電勢(shì)差.,設(shè)等離子氣體的電阻率 為，則電源的內(nèi)阻為：,三、磁流體發(fā)電機(jī),原理：,推理：設(shè)A、B平行金屬

4、板的面積為S，相距L，噴入氣體速度為v，板間磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,當(dāng)?shù)入x子氣體勻速通過(guò)A、B板間時(shí)，A、B板上聚集的電荷最多，板間電勢(shì)差最大，即為電源電動(dòng)勢(shì)。,此時(shí)離子受力平衡：,EqBqv,電動(dòng)勢(shì)：,ELBLv,EBv,則中的電流為：,.,【例3】 目前世界上正在研究一種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)電機(jī)，它可以把氣體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能。如圖所示為它的發(fā)電原理圖將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電或負(fù)電的微粒，從整體上來(lái)說(shuō)呈電中性)射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)中有兩塊面積為S，相距為d的平行金屬板與外電阻R相連構(gòu)成一電路設(shè)氣流的速度為v，氣體的電導(dǎo)率(電阻率的倒數(shù))為g，則流過(guò)外

5、電阻R的電流強(qiáng)度I及電流方向?yàn)?( ),D,.,如圖所示，一圓形導(dǎo)管直徑為d，用非磁性材料制成，其中有可以導(dǎo)電的液體向左流動(dòng)。,導(dǎo)電液體中的自由電荷（正負(fù)離子）在洛倫茲力作用下縱向偏轉(zhuǎn)，a,b間出現(xiàn)電勢(shì)差。,原理：,當(dāng)自由電荷所受電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡時(shí)，a、b間的電勢(shì)差就保持穩(wěn)定。,流量（Q）：,四、電磁流量計(jì),.,例4：,電磁流量計(jì)的原理圖如圖所示，橫截面為長(zhǎng)方形的一段管道，其中空部分的長(zhǎng)、寬、高分別為圖中的a、b、c流量計(jì)的兩端與輸送液體的管道相連接（圖中的虛線）圖中流量計(jì)的上下兩面是金屬材料，前后兩面是絕緣材料現(xiàn)于流量計(jì)所在處加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直于前后兩面當(dāng)導(dǎo)電液體穩(wěn)

6、定地流過(guò)流量計(jì)時(shí)，在管道外將流量計(jì)上、下表面分別與一串接了電阻R的電流表的兩端連接，I 表示測(cè)得的電流值已知流體的電阻率為，不計(jì)電流表的內(nèi)阻，則可求得流量（流量等于單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的體積）為（ ）,A,.,磁場(chǎng)的作用：交變電場(chǎng)以某一速度垂直磁場(chǎng)方向 進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后，在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(yùn) 動(dòng)，其周期在q、m、B不變的情況下與速度和軌道半 徑無(wú)關(guān)，帶電粒子每次進(jìn)入D形盒都運(yùn)動(dòng)相等的時(shí)間 （半個(gè)周期）后平行電場(chǎng)方向進(jìn)入電場(chǎng)加速。,1、概述,電場(chǎng)的作用：回旋加速器的的兩個(gè)D形盒之間 的夾縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩個(gè)D形盒 正對(duì)截面的勻強(qiáng)電場(chǎng)，帶電粒子經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)被加速。,交變電壓的作用：

7、為保證粒子每次經(jīng)過(guò)夾縫時(shí)都被加速，使之能量 不斷提高，須在夾縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在 D 形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變 電壓。,五、回旋加速器,.,3) 若粒子的電量為q，最終能量為E， 加速電壓為U，則回旋圈數(shù)為,1) 帶電粒子在兩D形盒中回旋周期等于兩盒狹縫之間高頻電場(chǎng)的變化周期，粒子每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期，被電場(chǎng)加速多少次？,2) 設(shè)加速電壓為U，粒子的電量為q，則每次加速增加的動(dòng)能為,4) 若每次加速時(shí)的電壓為U，將帶電粒子在狹縫之間的運(yùn)動(dòng)首尾連接起來(lái)可看成什么運(yùn)動(dòng)？,一個(gè)初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng),2、粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)時(shí)間,.,5) D形盒的半徑為R，兩盒間距為d，質(zhì)子在電場(chǎng)中加速次數(shù)與回旋

8、半周的次數(shù)相同，加速電壓大小可視為不變，比較：質(zhì)子在電場(chǎng)中的加速時(shí)間與質(zhì)子在D形盒中運(yùn)動(dòng)時(shí)間,在 D 形盒中回旋時(shí)間為,分析：設(shè)質(zhì)子最終速度為v，加速次數(shù)為n,由于R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于d，故可忽略粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間,比較：,結(jié)論：粒子在加速器中運(yùn)動(dòng)總時(shí)間為 t總 = nT/2，n為加速次數(shù),在電場(chǎng)中加速時(shí)間為,2、粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)時(shí)間,.,分析：對(duì)于同一回旋加速器，其粒子回旋的最大半徑是相同的（回旋的最大半徑等于D形盒的半徑），設(shè)最大半徑為R，最終能量為E。,結(jié)論：粒子的最終能量與加速電壓無(wú)關(guān)，與回旋的最大半徑有關(guān)。加速電壓的高低只會(huì)影響加速次數(shù)，并不影響加速后的最大動(dòng)能,思考：粒子的最終能量與

9、加速電壓有關(guān)嗎？,3、粒子最終能量,.,例5：回旋加速器 D 形盒中央為質(zhì)子流，D 形盒間的交變電壓為U2104V，靜止質(zhì)子經(jīng)電場(chǎng)加速后，進(jìn)入D形盒，其最大軌道半徑R1m，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0.5T，質(zhì)子的質(zhì)量m1.671027kg。 問(wèn)：（1）質(zhì)子經(jīng)回旋加速器最后得到的動(dòng)能是多大？共加速了多少次？ （2）交變電源的頻率是多大？,.,六、霍爾效應(yīng),I=neSv=nedhv,eU/h=evB,U=IB/ned=kIB/d,k是霍爾系數(shù),.,例六、如圖所示厚度為h，寬度為d的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中，當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體板時(shí)，在導(dǎo)體板的上側(cè)面A和下側(cè)面A之間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，電勢(shì)差U、電流I和B的關(guān)系為U=kIB/d，式中的比例系數(shù)K稱為霍爾系數(shù) 霍爾效應(yīng)可解釋如下：外部磁場(chǎng) 的洛侖茲力使運(yùn)動(dòng)的電子聚集在 導(dǎo)體板的一側(cè)，在導(dǎo)體板的另一 側(cè)會(huì)出現(xiàn)多余的正電荷，從而形 成橫向電場(chǎng)橫向電場(chǎng)對(duì)電子施加與洛侖茲力方向相反的靜電力當(dāng)靜電力與洛侖茲力達(dá)到平衡時(shí)，導(dǎo)體板上下兩側(cè)之間就會(huì)形成穩(wěn)定的電勢(shì)差。設(shè)電流I是電子的定向流動(dòng)形成的，電子的平均定向速度為v，電量為e 回答下列問(wèn)題：,.,（1）達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)體板上側(cè)面A的電勢(shì) 下側(cè)面A的電勢(shì)