洛伦兹力在现代科技上的应用

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2017-12-13,#,托卡马克磁约束,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,(A MS),用于检测有无反粒子和暗物质,B,x,1,照相底片,q,1/,m,1,x,1,x,3,q,2/,m,2,q,3/,m,3,一、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：,（,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,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,+,-,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。,氢核、氘核和,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,v,a,v,b,=v,c,v,d,，质量关系为,m,a,=m,b,m,c,=m,d,，同时沿图示方向进入粒子速度选择器后，一粒子射向,P,1,板，一粒子射向,P,2,板，其余两粒子通过速度选择器后，进入另一磁场，分别打在,A,1,和,A,2,两点。则射到,P,1,板的是,_,粒子，射到,P,2,板的是,_,粒子，打在,A,1,点的是,_,粒子，打在,A,2,点的是,_,粒子。,a,d,b,c,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,S,1,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,S,2,、,S,3,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,S,3,的细线,.,已知电子电量为,e.,若测得细线到狭缝,S,3,的距离为,d,，,试推,导分子离子的质量,m,的表达式,.,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,，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=,B,d,V,R,中电流,I=,E,R,r,=,B,d,V,R,d,S,B,d,VS,RS,d,=,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：,U,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,3.0 mm,，血管壁的厚度可忽略，两触点间的电势差为,160 V,，磁感应强度的大小为,0.040 T,则血流速度的近似值和电极,a,、,b,的正负为,A,1.3 m/s,，,a,正、,b,负,B,2.7 m/s,，,a,正、,b,负,C,1.3 m/s,，,a,负、,b,正,D,2.7 m/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,U,m,q,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,。,U,t,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,=,2,m,q B,v,增大，,r,增大，但,T,始终不变。,（,4,）粒子在一个周期加速两次,.,（,5,）粒子获得最大速度,（,6,）粒子获得最大动能,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？,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,U q=,E,k,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=,E,k,m,nU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2N,（,8,）粒子在电场中运动的时间：,（,9,）粒子在加旋加速器中运动的时间：,粒子在磁场中做圆周运动周期是否变化？,电场变化周期与粒子在磁场中做圆周运动周期的关系？,电场一个周期中方向变化几次？,粒子每一个周期加速几次？,粒子加速的最大速度由哪些量决定？,粒子在电场加速过程中时间是否可忽略？,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,粒子在磁场中做匀速圆周运动,周期不变,电场变化的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同,电场一个周期中方向变化两次,粒子每一个周期加速两次,粒子加速的最大速度由盒的半径和磁场强度决定,电场加速过程中,时间极短,可忽略,回旋加速器的局限性,