洛伦兹力和现代技术课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第六节,带电粒子在匀强磁场中的运动,讨论与交流,:,一个带电粒子分别以平行、垂直和倾斜于磁场方向的初速度进入匀强磁场，它在磁场中各做什么运动？,一、带电粒子在磁场中的运动,（,1,）,“,平行,”,进入：,B,v,（,2,）,“,垂直,”,进入：,B,v,（,2,）,“,垂直,”,进入：,B,v,f,v,（,2,）,“,垂直,”,进入：,B,v,f,v,讨论：,若带电粒子质量为,m,，电荷量为,q,，粒子以垂直于磁场的初速度,v,进入匀强磁场，已知磁场的磁感应强度为,B,。你能求出带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径和周期吗？,qvB,m,v,2,r,（,3,）,“,倾斜,”,进入：,B,v,（,3,）,“,倾斜,”,进入：,B,v,带电粒子在磁场中的圆周运动演示,洛伦兹力演示仪,应用,1,如图所示，在垂直纸面向里的匀强磁场中，有,a,、,b,两个电子从同一处沿垂直磁感线方向开始运动，,a,的初速度为,v,，,b,的初速度为,2,v,则（）,A,a,先回到出发点,B,b,先回到出发点,C,a,、,b,同时回到出发点,D,不能确定,应用,2,：,一个带电粒子沿垂直于磁场的方向射入一匀强磁场。粒子的一段径迹如图所示。径迹上的每一小段都可近似看成圆弧。由于带电粒子使沿途的空气电离，粒子的能量逐渐减小（粒子的带电量不变），从图中的情况可以确定,A.,粒子从,a,到,b,，带正电,B.,粒子从,a,到,b,，带负电,C.,粒子从,b,到,a,，带正电,D.,粒子从,b,到,a,，带负电,a,b,应用,3,带电粒子,A,（质量为,m,、电量为,q,）和带电粒子,B,（质量为,4,m,、电量为,2,q,）垂直磁感线射入同一匀强磁场中（不计重力）,（,1,）若以相同速度入射，则轨道半径之比,R,a,：,R,b,周期之比,T,a,：,T,b,角速度之比,a,：,b,（,2,）若以相同动量入射，则轨道半径之比,R,a,：,R,b,周期之比,T,a,：,T,b,角速度之比,a,：,b,应用,4,：带电粒子在电场和磁场共同存在的区域里运动，运动情况又怎样？,+,-,v,B,二、质谱仪,结构与原理,加速电场：,使带电粒子加速,速度选择器：,选择粒子,选出的粒子,v,E,B,1,偏转磁场区：,使带电粒子轨迹发生偏转，并被拍照,因偏转半径,r,mv/qB,2,故荷质比为,q/m,E/B,1,B,2,r,研究同位素（测荷质比）的装置,同位素：电荷量相同，质量有微小差别的元素,质谱仪是由汤姆生的学生阿斯顿（,F.W.Aston,1877-1945),发明的，他用质谱仪首先得到了氖,-20,和氖,-22,的质谱线，证实了同位素的存在。阿斯顿因发明质谱仪和发现非放射性元素的同位素等贡献而获得,1922,年度诺贝尔化学奖,如何敲开原子核的大门？,要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进行“观察”。,然而，原子核内部的质子和中子间有强大的核力，只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才能把它“打开”。,产生这些高能炮弹的“工厂”就是各种各样的粒子加速器。,提升加速电压可以得到高能粒子，然而产生过高电压的电压的技术是很困难的。,多级加速之直线加速器,由在高真空隧道内中,N,个共轴金属圆筒构成。,每次粒子到达筒间间隙时，筒间有加速电场。,筒内没有电场，粒子在筒内做匀速直线运动。,产生电场的电源是交流电源。,缺点：占空间大。,为了解决上述矛盾，,1930,年美国加利福尼亚州伯克利加州大学的劳伦斯（,Ernest Orlando Lawrence,1901,1958),制成了世界上,第一台回旋加速器,，其真空室的直径只有,10.2cm.,此后，劳伦斯经过改进又制成了实用的回旋加速器。他因发明和发展了回旋加速器获得,1939,年度,诺贝尔物理学奖,带电粒子每旋转半周到达空隙，即被加速,三、回旋加速器,结构与原理,“回旋”区：,两个,D,形盒子,处于真空、匀强磁场中,加速区：,两个,D,形盒子之间的空隙,空隙间有交变电场,粒子速度增大，旋转半径也增大，但运转周期不变,使带电粒子获得高能量的装置,回旋加速器,讨论与交流,1,带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时，如因速率,v,增大引起,r,增大，其运动周期,T,是否变化？,盒缝宽度远小于盒半径，粒子通过盒缝的时间可以忽略。为使带电粒子每次经过两,D,形盒的间隙时，恰能受到电场力作用且加速，高频电源的周期,T,和频率,f,应符合什么要求？,讨论与交流,2,设回旋加速器,D,形盒的半径为,R,，匀强磁场的磁感应强度为,B,，则该回旋加速器最多可以将质量为,m,，电荷量为,q,的带电粒子加速到多大的速度？其最大速度取决于什么？,20,世纪,30,年代末期，科学家们发现，被回旋加速器加速的粒子的最大能量是受到限制的，其主要原因是相对论效应。当能量很高时，粒子速度非常大，其质量增大就不能忽略了。因此，粒子绕行一周所需的时间也逐渐增大了。如果高频电压的频率保持不变，电场力就可能会对粒子的运动起阻碍作用。,回旋加速器的改进,一种改进方案是在保持磁场不变的情况下，令高频电压的频率随粒子速度的增加而减小，使其与粒子做圆周运动的频率保持同步，从而使电场力总是起到加速粒子的作用，按这一原理设计的加速器称为同步回旋加速器。,另一种改进方案是让磁感强度随粒子,动量,的增加而同步增大，使得粒子能够保持在固定的圆周上运动。同时，还要保证加速电场的频率与粒子做圆周运动的频率同步变化。由于粒子始终在一个圆形轨道上运动，磁场区域可以大为缩小，因此磁铁的重量也大为减轻。这种加速器称为同步加速器。,目前最大的加速器是美国费米国家加速器实验室的一台质子同步加速器，它可以把质子加速到,1000Gev,跨国的加速器,其它领域,磁流体发电机：,教材,P98,第,4,题,磁流体发电机是一种直接将内能转化成电能的装置。,若等离子气体的速度为,v,，磁场的磁感应强度为,B,，试讨论该发电机的电动势（空载电压）。,中国三大高能物理研究装置,（,1,）北京正负电子对撞机：始建于,1984,年,10,月,7,日，,1988,年,10,月建成，包括正负电子对撞机、北京谱仪（大型粒子探测器）和北京同步辐射装置。北京正负电子对撞机的建成，为我国粒子物理和同步辐射的应用研究开辟了广阔的前景。它的主要性能指标达到,20,世纪,80,年代国际先进水平，一些性能指标迄今仍然是国际同类装置中最好的。,（,2,）合肥同步辐射装置：始建于,1984,年,4,月，,1989,年,4,月,26,日正式建成，迄今已建成,5,个实验站，接待了大量国内外用户，取得了大量有价值的成果。,（,3,）兰州重离子加速器：我国自行研制的第一台重离子加速器，同时也是我国到目前为止最高、可加速的粒子种类最多、规模最大的重离子加速器。这是在世界上继法国、日本之后的第三台同类大型回旋加速器，于,1989,年,11,月投入正式运行，主要指标达到国际先进水平。,本课小结：,一、带电粒子在磁场中的运动,平行磁感线进入：,做匀速直线运动,垂直磁感线进入：,做匀速圆周运动,半径：,R,mv,qB,周期：,T,2m,qB,二、质谱仪：,研究同位素（测荷质比）的装置,由加速电场、速度选择器、偏转磁场组成,三、回旋加速器：,使带电粒子获得高能量的装置,由,D,形盒、高频交变电场等组成,思考与交流：,1,、如图所示，回旋加速器的两,D,形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中，设匀强磁场的磁感应强度为,B,，,D,形金属盒的半径为,R,，狭缝间的距离为,d,，加速电压为,U,，若要增大带电粒子（电荷量为,q,、质量为,m,，不计重力）射出时的动能，则下列方法哪些可行（）,C D,A,增大匀强电场间的加速电压,B,减小狭缝间的距离,C,增大磁场的磁感应强度,D,增大,D,形金属盒的半径,2,、如图为质谱仪的原理图。电荷量为,q,，质量为,m,的带正电粒子从静止开始经过电势差为,U,的加速电场加速后，进入粒子速度选择器，选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的场强为,E,，方向水平向右。已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器，从,G,点垂直于,MN,进入偏转磁场。该偏转磁场是一个以直线,MN,为上边界、方向垂直于纸面向外的匀强磁场。带电粒子经偏转磁场后，,最终到达照相底片上的,H,点。测得,G,、,H,间的距离为,l,，重力可忽略不计。,求：粒子从加速电场射出时速度,v,的大小。粒子速度选择器中匀强,磁场的磁感应强度,B,1,的大小和方向。,偏转磁场的磁感应强度,B,2,的大小。,（,1,）（,2,）（,3,）,多谢指导,