洛伦兹力在现代科技上的应用

第7节洛伦兹力的应用诺贝尔奖得主丁肇中安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪(AMS),用于检测有无反粒子和暗物质×××××××××Bx1照相底片q1/m1x1x3q2/m2q3/m3一、速度选择器思考：1、P1、P2之间的电场方向是向左还是向右？3、其他条件不变，把粒子改为负电荷，能通过吗？4、其它条件不变，粒子从下向上运动，能直线通过吗？5、其它条件不变，只改变粒子的电量或质量，能直线通过吗？2、粒子在通过S2、S3之间做匀速直线运动的条件是什么？速度选择器速度选择器要选择：不选择：构造：条件：正交的电磁场不计重力速率：方向：且是唯一入射方向,,EvBvBEv（速度）电性电量质量（微观带电粒子，G不计）例1.图示为一“滤速器”装置的示意图.a、b为水平放置的平行金属板，一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔O进入a、b两板之间.为了选取具有某种特定速率的电子，可在a、b间加上电压，并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场，使所选电子仍能够沿水平直线OO′运动，由O′射出.不计重力作用.可能达到上述目的的办法是()A.使a板的电势高于b板，磁场方向垂直纸面向里B.使a板的电势低于b板，磁场方向垂直纸面向里C.使a板的电势高于b板，磁场方向垂直纸面向外D.使a板的电势低于b板，磁场方向垂直纸面向外AD...................................................................1p2p+-2s3s1s速度选择器（E2、B1）照相底片质谱仪的示意图利用电场加速利用磁场分离（B2）6、测出条纹到狭缝S3的距离L，则粒子的荷质比是多少？测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。20121mvqUqEqvB22122EqmLBB氢核、氘核和α粒子哪个粒子打得远？二、质谱仪例2.如图所示，a、b、c、d为四个正离子，电量相等，速度大小关系为va＜vb=vc＜vd，质量关系为ma=mb＜mc=md，同时沿图示方向进入粒子速度选择器后，一粒子射向P1板，一粒子射向P2板，其余两粒子通过速度选择器后，进入另一磁场，分别打在A1和A2两点。则射到P1板的是____粒子，射到P2板的是___粒子，打在A1点的是____粒子，打在A2点的是____粒子。adbc例3.如图所示是测量带电粒子质量的仪器的工作原理示意图.设法将某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器A中，使它受到电子束轰击，失去一个电子变成正一价的分子离子.分子离子从狭缝S1以很小的速度进入电压为U的加速电场区(初速不计)，加速后，再通过狭缝S2、S3射入磁感应强度为B的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQ.最后，分子离子打到感光片上，形成垂直于纸面而且平行于狭缝S3的细线.已知电子电量为e.若测得细线到狭缝S3的距离为d，试推导分子离子的质量m的表达式.在加速电场,动能定理：12mv2＝eU.粒子进入匀强磁场后，evB＝mv2R，又由几何关系d＝2R解得m＝eB2d28U.三、磁流体发电机P103(教材）等粒子体：即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子原理：等离子气体喷入磁场，正、负离子在洛仑兹力作用下发生偏转而聚集到A、B板上，产生电势差.若在板外接电阻R，此时通过R的电流是多大？设A、B平行金属板的面积为S，相距d，等离子体的电阻率为ρ，喷入气体速度为v，板间磁场的磁感强度为B，当A、B板上聚焦的电荷最多时，板间电势差多大？电动势U=BdVR中电流I=ER＋r=BdVρR＋dSBdVSRS＋ρd=四、霍尔（E.C.Hall)效应P98(教材）在一个通有电流的导体板上，垂直于板面施加一磁场，则平行磁场的两面出现一个电势差，这一现象是1879年美国物理学家霍耳发现的，称为霍耳效应。该电势差称为霍耳电势差。霍耳思考：如果电流是负电荷定向移动形成的，则电势哪端高？正电荷呢？负电荷：下表面霍尔效应：电流的方向确定磁流体发电机：电荷移动方向确定例4.厚度为h、宽度为d的金属板放在垂直于磁感应强度为B的匀强磁场中，已知金属导体单位体积中的自由电子数为n，电子电量为e，则当电流I流过导体时，在导体板上下侧面间会产生电势差U，证明电势差U、电流I和B的关系为：UneSvIdIBKUeBvehUnedBIUneK1K叫霍尔系数如图所示，一圆形导管直径为d，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体以速度v流过导管．洛伦兹力电势差平衡五、电磁流量计原理:导电液体中的自由电荷（正、负离子）在作用下横向偏转，a、b间出现，形成电场。当自由电荷所受电场力和洛伦兹力时，a、b间有稳定的电势差U，则液体的流速为液体的流量为。例5.医生做某些特殊手术时，利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速度．电磁血流计由一对电极a和b以及一对磁极N和S构成，磁极间的磁场是均匀的．使用时，两电极a、b均与血管壁接触，两触点的连线、磁场方向和血流速度方向两两垂直．如图所示．由于血液中的正负离子随血流一起在磁场中运动，电极a、b之间会有微小电势差．在达到平衡时，血管内部的电场可看作是匀强电场，血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零．在某次监测中，两触点间的距离为3.0mm，血管壁的厚度可忽略，两触点间的电势差为160μV，磁感应强度的大小为0.040T．则血流速度的近似值和电极a、b的正负为A．1.3m/s，a正、b负B．2.7m/s，a正、b负C．1.3m/s，a负、b正D．2.7m/s，a负、b正A五、回旋加速器思考：怎样获得高能的粒子？1.加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，qU=Ek．2.直线加速器，多级加速如图所示是多级加速装置的原理图：直线加速器·＋－Umq一级二级三级＋－U＋－U＋－U……n级粒子获得的能量：E=nqU匀速直线运动加速运动电源为交流电源，当离子在各筒内穿过的时间都为t=T/2时，离子才有可能每次通过圆筒间缝隙都被加速.直线加速器加利佛尼亚斯坦福大学的粒子加速器电子直线加速器管长3050米有没有一种加速器使其占地面积不大，造价又不太高的呢？解决上述困难的一个途径是把加速电场“卷起来”，用磁场控制轨迹，用电场进行加速。1932年，美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器，从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步．为此，劳仑斯荣获了1939年诺贝尔物理学奖．回旋加速器：(2)原理：粒子在匀强磁场中每转半周即能在电场中加速一次，从而使粒子获得高速。(1)结构：核心部件：两个Ｄ形盒。中间留一窄缝，中间放粒子源，置于巨大电磁铁两极间，两盒接高频电源。mBq2mBq3mBq~U0t思考：保证粒子始终被加速,交变电场的周期与粒子回旋的周期有什么样的关系？(3)加速条件：高频电源的周期与带电粒子的周期相同，T电场=T回旋=2πmqBv增大，r增大，但T始终不变。（4）粒子在一个周期加速两次.mqBRvm（5）粒子获得最大速度qBmvRmmqBR2)(2（6）粒子获得最大动能221mkmmvE假设由你来设计一台回旋加速度器，要求能使带电粒子获得更高的能量，你打算采用哪些措施？提高电源电压？加大D形盒的半径？增加磁感应强度？mqBR2)(2221mkmmvE1、与加速电压U无关2、与加速次数n无关3、与D形盒间的距离d无关（本身Uq=ΔEk就与d无关）问：按理说U越大，获得的能量应该越大？为什么最终的最大动能与U还无关呢？nqU=EkmnU乘积为一个定值（7）粒子在磁场中运动的时间：设粒子回旋的圈数为N，则加速的次数应该为2NmRBqNqU22222NTt磁UBRt22磁（8）粒子在电场中运动的时间：2221212电电tmdqUatNdUdBRt电（9）粒子在加旋加速器中运动的时间：UBRUdRBRttt22)2(2磁电①粒子在磁场中做圆周运动周期是否变化？②电场变化周期与粒子在磁场中做圆周运动周期的关系？③电场一个周期中方向变化几次？④粒子每一个周期加速几次？⑤粒子加速的最大速度由哪些量决定？⑥粒子在电场加速过程中时间是否可忽略？⑦只有回旋加速器的半径足够大，粒子是否可被加速到任意值？小结①粒子在磁场中做匀速圆周运动,周期不变②电场变化的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同③电场一个周期中方向变化两次④粒子每一个周期加速两次⑤粒子加速的最大速度由盒的半径和磁场强度决定⑥电场加速过程中,时间极短,可忽略⑦回旋加速器的局限性