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)ppt課件

1、1 帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用 2思考問題思考問題1：V V+q+q一電量為一電量為q q的帶正電的粒子以速度的帶正電的粒子以速度v v射入勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)相互正交的射入勻強(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)度為場(chǎng)區(qū)中，電場(chǎng)強(qiáng)度為E E，磁感應(yīng)強(qiáng)度為，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B，該帶電粒子可能做什么樣的運(yùn)，該帶電粒子可能做什么樣的運(yùn)動(dòng)？動(dòng)？( (重力不計(jì)）重力不計(jì)）3一一. .速度選擇器速度選擇器【例例1】 某帶電粒子從圖中速度選擇器左端由中點(diǎn)某帶電粒子從圖中速度選擇器左端由中點(diǎn)O以速度以速度v0向右射去，從右端中心向右射去，從右端中心a下方的下方的b點(diǎn)以速

2、度點(diǎn)以速度v1射出；若增大磁感應(yīng)強(qiáng)度射出；若增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B，該粒子將打到，該粒子將打到a點(diǎn)上方的點(diǎn)上方的c點(diǎn)，且點(diǎn)，且ac=ab，則該粒子帶，則該粒子帶_ 電；第二次射出時(shí)的速度為電；第二次射出時(shí)的速度為_.若要使粒子從若要使粒子從a 點(diǎn)射出點(diǎn)射出,則則B= .212022vvv正正E/V0B c a b4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)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的運(yùn)動(dòng)方向，未發(fā)生任何偏轉(zhuǎn)如果讓這些不偏轉(zhuǎn)現(xiàn)有些離子仍保持原來的運(yùn)動(dòng)方向，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

3、又分成幾束，對(duì)這些進(jìn)入另一的離子進(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（磁場(chǎng)的離子，可得出結(jié)論（ ）A A它們的動(dòng)能一定各不相同它們的動(dòng)能一定各不相同B B它們的電荷量一定各不相同它們的電荷量一定各不相同C C它們的質(zhì)量一定各不相同它們的質(zhì)量一定各不相同D D它們的電荷量與質(zhì)量之比一定各不相同它們的電荷量與質(zhì)量之比一定各不相同訓(xùn)練訓(xùn)練1 1：D5二質(zhì)譜儀二質(zhì)譜儀構(gòu)造構(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 等組成等組成.如圖所示：帶電粒子注入器；加速電場(chǎng)（如圖所示：帶電粒子注入器；加速電場(chǎng)（U）

4、；速度選擇器（）；速度選擇器（B1、E）；）；偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（B2）；照相底片。）；照相底片。作用作用: 測(cè)定帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素測(cè)定帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素.6【例例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子最后打在若帶電粒子最后打在照相底片的照相底片的P點(diǎn)點(diǎn),現(xiàn)測(cè)得現(xiàn)測(cè)得P到入口到入口S的距離為的距離為x,已知已知B1，B2，E，求該帶電粒子的，求該帶電粒子的比荷比荷(U未知未知)PSxBBE

5、mq212答案答案:7思考問題思考問題2 2：一束等離子體（由等量的一束等離子體（由等量的+q+q和和-q-q組成）以恒定速度組成）以恒定速度v v射入平行板電容器中，極射入平行板電容器中，極板原來不帶電，板間距為板原來不帶電，板間距為d,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 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？，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)重力不計(jì), ,設(shè)設(shè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的離子都打在了極板上）發(fā)生偏轉(zhuǎn)的離子都打在了極板上）+q +q -q -q V VU=BdvU=Bdv+q +q

6、-q -q 8rRI+ +e e LRSBLvSr r+ + 9【例例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，從整體上來說呈電即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電或負(fù)電的微粒，從整體上來說呈電中性中性) )射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)中有兩塊面積為的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)中有兩塊面積為S S，相距為，相距為d d的平的平行

7、金屬板與外電阻行金屬板與外電阻R R相連構(gòu)成一電路設(shè)氣流的速度為相連構(gòu)成一電路設(shè)氣流的速度為v v，氣體的電導(dǎo)率，氣體的電導(dǎo)率( (電電阻率的倒數(shù)阻率的倒數(shù)) )為為g g，則流過外電阻，則流過外電阻R R的電流強(qiáng)度的電流強(qiáng)度I I及電流方向?yàn)榧半娏鞣较驗(yàn)?( )( ) D10四、電磁流量計(jì)四、電磁流量計(jì)qEqvB QdUq BdUv SvQ BdU2d2p p ）（B4dUp p 11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

8、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)定地流過流量計(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)流過的體積）為（ ）A.()B.()C.()D.()IcIbbRaRBaBcIaIbccRRBbBarrrr+A12磁場(chǎng)的作用：交變電場(chǎng)以某一速度垂直磁場(chǎng)方向磁場(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)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)，其周期在動(dòng)，其周期在q、m、B不變的情況下與速度和軌道半不變

9、的情況下與速度和軌道半徑無關(guān)，帶電粒子每次進(jìn)入徑無關(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。（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)電場(chǎng)的作用：回旋加速器的的兩個(gè)D形盒之間形盒之間的夾縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩個(gè)的夾縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩個(gè)D形盒形盒正對(duì)截面的勻強(qiáng)電場(chǎng)，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時(shí)被加速。正對(duì)截面的勻強(qiáng)電場(chǎng)，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時(shí)被加速。 交變電壓的作用：為保證粒子每次經(jīng)過夾縫時(shí)都被加速，使之能量交變電壓的作用：為保證粒子每次經(jīng)過夾縫時(shí)都被加速，使之能量不斷提高，須在夾縫兩

10、側(cè)加上跟帶電粒子在不斷提高，須在夾縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在 D 形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變電壓。電壓。五、回旋加速器五、回旋加速器133) 若粒子的電量為若粒子的電量為q，最終能量為，最終能量為E，加速電壓為加速電壓為U，則回旋圈數(shù)為，則回旋圈數(shù)為1) 帶電粒子在兩帶電粒子在兩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)過一個(gè)周期，被電場(chǎng)加速多少次？經(jīng)過一個(gè)周期，被電場(chǎng)加速多少次？2) 設(shè)加速電壓為設(shè)加速電壓為U，粒子的電量為，粒子的電量為q，則，則每次加速增加的動(dòng)能為每次加速增加的動(dòng)能為 qUKE4)

11、 若每次加速時(shí)的電壓為若每次加速時(shí)的電壓為U，將帶電粒子在狹縫之間的運(yùn)動(dòng)首尾連接起來可看成，將帶電粒子在狹縫之間的運(yùn)動(dòng)首尾連接起來可看成什么運(yùn)動(dòng)？什么運(yùn)動(dòng)？一個(gè)初速度為零的勻加速直線運(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145) D形盒的半徑為形盒的半徑為R，兩盒間距為，兩盒間距為d，質(zhì)子在電場(chǎng)中加速次數(shù)與回旋半周的次數(shù)相同，質(zhì)子在電場(chǎng)中加速次數(shù)與回旋半周的次數(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，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形盒中形盒中運(yùn)動(dòng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)時(shí)間在在 D 形盒中回旋時(shí)間為形盒中回旋時(shí)間為分析：設(shè)質(zhì)

12、子最終速度為分析：設(shè)質(zhì)子最終速度為v，加速次數(shù)為，加速次數(shù)為n由于由于R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于d，故可忽略粒子在電場(chǎng)中運(yùn)，故可忽略粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間動(dòng)時(shí)間比較：比較：結(jié)論：粒子在加速器中運(yùn)動(dòng)總時(shí)間為結(jié)論：粒子在加速器中運(yùn)動(dòng)總時(shí)間為 t總總 = nT/2，n為加速次數(shù)為加速次數(shù)在電場(chǎng)中加速時(shí)間為在電場(chǎng)中加速時(shí)間為22nTn Rtvp122tdtRp2、粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)時(shí)間15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于D形盒的半徑），設(shè)最大半徑為形盒的半徑），設(shè)最大半徑為R，最終能量為，最終

13、能量為E。mRqBmvEqBmv221R2222由最大半徑得：結(jié)論：粒子的最終能量與加速電壓無關(guān)，與回旋的最大半徑有關(guān)。加速電壓的高結(jié)論：粒子的最終能量與加速電壓無關(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：粒子的最終能量與加速電壓有關(guān)嗎？思考：粒子的最終能量與加速電壓有關(guān)嗎？3、粒子最終能量16例例5：回旋加速器：回旋加速器 D 形盒中央為質(zhì)子流，形盒中央為質(zhì)子流，D 形盒間的交變電壓為形盒間的交變電壓為U2104V，靜止質(zhì)子，靜止質(zhì)子經(jīng)電場(chǎng)加速后，進(jìn)入經(jīng)電場(chǎng)加速后，進(jìn)入D形盒，其最大軌道半徑形盒，其最大

14、軌道半徑R1m，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0.5T，質(zhì)子，質(zhì)子的質(zhì)量的質(zhì)量m1.671027kg。問：（問：（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？）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？）交變電源的頻率是多大？17IBdh六、霍爾效應(yīng)六、霍爾效應(yīng)I=neSv=nedhveU/h=evBU=IB/ned=kIB/dk是霍爾系數(shù)是霍爾系數(shù)18例六、如圖所示厚度為如圖所示厚度為h，寬度為，寬度為d的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強(qiáng)度為的導(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)的均勻磁場(chǎng)中，當(dāng)電流通過導(dǎo)體板時(shí)，在導(dǎo)體板的上側(cè)

15、面中，當(dāng)電流通過導(dǎo)體板時(shí)，在導(dǎo)體板的上側(cè)面A和下側(cè)面和下側(cè)面A之間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差這種現(xiàn)象之間會(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、電流I和和B的關(guān)系為的關(guān)系為U=kIB/d，式，式中的比例系數(shù)中的比例系數(shù)K稱為霍爾系數(shù)稱為霍爾系數(shù) 霍爾效應(yīng)可解釋如下：外部磁場(chǎng)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)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