【磁场】洛伦兹力的应用7-质谱仪
洛伦兹力在现代科技上的应用(正式)
B. a 处离子浓度大于b 处离子浓度
C. 溶液的上表面电势高于下表面电势 D. 溶液的上表面处 离子浓度大于下表面处 的离子浓度 c
N Z
y
B b d x
I
a
磁流体发电机
M v
电磁流量计
B b c
霍尔效应
N
a
ε=Ed=Bvd
（空心导体－
Ub U 1 IBd 1 IB Q vS H nq S nq b B
U U Bvq q v c Bc
B
Q 公式：
Ub Q vS B
c a
b
四、霍尔效应
1、定义：当通电的导体处在垂直于电流方向的 磁场中时，在导体的上、下表面产生电压 金属导体
I f
v
d
f
qE
E
2、哪一面电势高，与导电粒子的种类有关。
3、霍尔电压的计算式：
霍尔电压：UH=Bvd.
B d
直线加速器
最大直线加速器：
斯坦福大学
直线加速器
2英里长直线加速管
（2）、回旋加速器
直线加速器缺点： 体积大，占地大。
1932年美国科学家劳伦斯发明了回旋加速 器,1939年获得了诺贝尔物理学奖。
美国费米加速器实验室
北京正负电子对撞 机：能量达到3GeV
欧洲大型强子对撞机（LHC）是最大的粒子加速器，
故总时间==磁场时间。
3、匀速圆周运动的最大半径=D形盒的半径。 4、在粒子的质量、电荷量确定的情节下，粒子的最
大动能只与D形盒的半径R和磁感应强度B有关，与加
速电压U无关。
（1）.直线加速器
+
+
洛伦兹力的应用
1.荷质比的概念：带电粒子的电荷与质 量之比。它是带电粒子的基本参量。 2.测定荷质比的装置：
A：电离室:S1—S2：加速电场 S2—S3：速度选择器
B：匀强磁场 D：照相底片 4.测定荷质比的装置――质谱仪（最 初由汤姆生发现的）。
洛伦兹力的应用（质谱仪）
【讨论与交流】
质子和
粒子以相同的动能垂直进入
洛伦兹力的大小
1.当电荷运动方向与磁场方向垂直 （v⊥B）时，f=qvB. 2.当电荷的运动方向与磁场方向平行 （v//B)时，电荷不受洛伦兹力.
洛伦兹力对运动电荷不做功 区分带电粒子在电场和在磁场中受力 情况不同
带电粒子置于电场中必受电场力，与运动状 态无关，但在磁场中洛伦兹力的大小和方向 与运动状态有关
同一磁场,它们能分开吗?
洛伦兹力的应用（回旋加速器） (三)、回旋加速器
• 回旋加速器是原子核物理学中获得高速粒 子的一种装置。 回旋加速器的核心部分为D形盒，它的形状 有如扁圆的金属盒沿直径剖开的两半，每 半个都象字母“D”的形状。两D形盒之间留 有窄缝，中心附近放置离子源。在两D形盒 间接上交流电源，于是在缝隙里形成一个 交变电场。由于电屏蔽效应，在每个D形盒 的内部电场很弱。D形盒装在一个大的真空 容器里，整个装置放在巨大的电磁铁两极 之间的强大磁场中，这磁场的方向垂直于D 形盒的底面。ຫໍສະໝຸດ 洛伦兹力的应用（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,如果
速率v增大引起半径r增大,其运动周期T是否变化? 2、为了使带电粒子每次经过两D形盒的间隙时,恰能 受到电场力作用且被加速,高频电源的频率应符合 什么条件?
3、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?
洛伦兹力的个实际应用
（2）因为电子做匀速运动，所以 F电=f洛，
有：e U BeV 且 I nesV nea2V
a
解出： B neaU I
电磁流量计
图中所示是电磁流量计旳原理图。非磁性材料 制成旳圆管位于磁感应强度为B旳匀强磁场中， 圆管旳轴线和磁场方向垂直，a、b是两个插入管 内能和液体接触旳金属电极，两电极间旳距离可 以为就是圆管旳直径D。当圆管内有导电旳液体 流过时，测得a、b两电极间旳电势差为U，则管 内经过液体旳流量 (即每秒钟经过液体旳体积)是 多少？
3、注意
1、带电粒子在匀强磁场中旳运动周期
T
2 m
qB
跟
运动速率和轨道半径无关，对于一定旳带电粒子和
一定旳磁感应强度来说，这个周期是恒定旳。
2、交变电场旳往复变化周期和粒子旳运动周期T相同， 这么就能够确保粒子在每次经过交变电场时都被加速。
3、因为侠义相对论旳限制，盘旋加速器只能把粒子 加速到一定旳能量。
多少？
Ba
由 fB=fE 有 qvB=qU/D所以 v
D
v=U/BD流量
Q=vtS/t=vS
而横截面积 S= D2/4所以流
b
量 Q= DU/4B
• 霍尔效应（实心导体－电子？） • 电磁流量计（空心管子）
Ba
v
D
b
例题：一种质量为m、电荷量为q旳粒子，从容器下方旳小孔S1飘入电势差为U旳 加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直旳方向进入磁感应强度为B旳匀强磁场中， 最终打到摄影底片D上（如图）
盘旋加速器中磁场旳磁感应强度为B，D形盒旳直 径为d，用该盘旋加速器加速质量为m、电量为q旳粒子， 设粒子加速前旳初速度为零。求：
洛伦兹力在现代科技中的应用-修改版
ASCS 1S 2S 3S 4Vr PF BD B 0VU M N 洛伦兹力在现代科技中的应用一．速度选择器原理：其功能是选择出某种速度的带电粒子 1．结构：如图所示（1）平行金属板M、N,将M 接电源正极，N 板接电源负极，M、N 间形成匀强电场,设场强为E；（2)在两板之间的空间加上垂直纸面向里的匀强磁场，设磁感应强度为B; (3)在极板两端加垂直极板的档板,档板中心开孔S 1、S 2，孔S 1、S 2水平正对。
2．原理设一束质量、电性、带电量、速度均不同的粒子束（重力不计），从S 1孔垂直磁场和电场方向进入两板间，当带电粒子进入电场和磁场共存空间时，同时受到电场力和洛伦兹力作用Bq FEq F 洛电,若洛电FFBq Eq v E B0 。
当粒子的速度v EB0 时，粒子匀速运动,不发生偏转，可以从S 2孔飞出。
由此可见，尽管有一束速度不同的粒子从S 1孔进入，但能从S 2孔飞出的粒子只有一种速度,而与粒子的质量、电性、电量无关3。
粒子匀速通过速度选择器的条件——带电粒子从小孔S 1水平射入， 匀速通过叠加场， 并从小孔S 2水平射出，电场力与洛仑兹力平衡， 即 Bq Eq ;即v E B; 当粒子进入速度选择器时速度v EB0 ， 粒子将因侧移而不能通过选择器. 如图， 设在电场方向侧移 d 后粒子速度为v ,（1） 当BEv 0时： 粒子向洛伦兹力f 方向侧移 电场力F 做负功，粒子动能 减少， 电势能增加， 有2202121mv d qE mv(2） 当BEv 0时:粒子向电场力F 方向侧移,F 做正功,粒子动能增加, 电势能减少, 有1212022mv qE d mv二．质谱仪 主要用于分析同位素， 测定其质量， 荷质比和含量比, 1．质谱仪的结构原理（1)离子发生器O（发射出电量q、质量m 的粒子从A 中小孔S 飘出时速度大小不计） （2)静电加速器C:静电加速器两极板M 和N 的中心分别开有小孔S 1、S 2，粒子从S 1进入后，经电压为U 的电场加速后，从S 2孔以速度v 飞出；(3）速度选择器D:由正交的匀强电场E 0和匀强磁场B 0构成，调整E 0和B 0的大小可以选择度为v 0＝E 0/B 0的粒子通过速度选择器,从S 3孔射出; （4)偏转磁场B:粒子从速度选择器小孔S 3射出后,从偏转磁场边界挡板上的小孔S 4进入,做半径为r 的匀速圆周运动；（5)感光片F：粒子在偏转磁场中做半圆运动后，打在感光胶片的P 点被记录,可以测得PS 4间的距离L。
洛伦兹力的应用(加速器、速度选择器、质谱仪)
A、11 B、12 C、121 D、144
洛伦兹力的应用
课程内容已结束
qB2 qB2
四、质谱仪
现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图 所示，其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电 场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离 子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁 场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将 磁感应强度增加到原来的12倍。此离子
选
6.3洛伦兹力的应用
宁化一中 杨文红
一、复合场
1.复合场是指电场、磁场和重力场并存，或其中两场并存，或分 区域存在。 2.带电粒子在复合场中的运动分类： （1）静止或匀速直线运动 （2）匀速圆周运动 （3）较复杂的曲线运动
二、回旋加速器
直线加速器的缺点：体积通常较大，占地面积大。
二、回旋加速器
三、速度选择器
若不计重力
qE qvB v E
B
速度选择器只选择速度，与电荷的正负、带电量、质量无关。
三、速度选择器
例. 在两平行金属板间有正交的匀强电场和匀强磁场，一个带 电粒子垂直于电场和磁场方向射入场中，射出时粒子的动能 减少了，为了使粒子射出时动能增加，在不计重力的情况下， 可采取的办法是（ ） BC A.增大粒子射入时的速度 B.减小磁场的磁感应强度 C.增大电场的电场强度 D.改变粒子的带电性质
四、质谱仪
1.装置： A：电离室:
B：匀强磁场 D：照相底片
S1—S2：加速电场 S2—S3：速度选择器
2.质谱仪是测量带电粒子荷质比和分析同位素的重要工具 （最初由汤姆生发现的）。
四、质谱仪
3、基本原理
qU 1 mv2 2
磁场中的洛伦兹力与质谱仪的原理
汇报人：XX 2024-01-16
contents
目录
• 洛伦兹力基本概念与性质 • 质谱仪结构与工作原理 • 磁场中粒子运动规律探讨 • 质谱分析方法及应用领域 • 实验操作注意事项与故障排除 • 总结回顾与拓展延伸
01
洛伦兹力基本概念与性 质
洛伦兹力定义及方向判断
同位素分馏效应的考虑
在进行无机物同位素分析时，需要考虑同位 素分馏效应对分析结果的影响，采取相应的 措施进行校正。
05
实验操作注意事项与故 障排除
实验前准备工作建议
熟悉实验原理
了解洛伦兹力、质谱仪的 基本原理和工作过程，明 确实验目的和操作步骤。
检查实验器材
确保磁场装置、粒子源、 探测器等实验器材完好无 损，规格型号符合实验要 求。
质谱图中主要出现分子离子峰和 芳香烃特征离子峰，如苯环开裂 产生的碎片离子峰等，通过这些 特征离子峰可以确定芳香烃的结 构。
无机物同位素分析技巧分享
同位素峰的识别
在质谱图中，同位素峰会以一定的质荷比间 隔出现，通过识别这些同位素峰可以确定元 素的同位素组成。
同位素丰度的测量
通过测量同位素峰的相对丰度，可以计算出元素的 同位素比值，进而推断元素的来源和成因。
高精度磁场测量技术的发展
高精度磁场测量技术对于研究磁场对粒子运动的影响具有重要意义，未来将有更多研究关 注于提高磁场测量的精度和稳定性。
洛伦兹力在新能源领域的应用探索
洛伦兹力在磁场中的作用具有广泛的应用前景，未来可能在新能源领域如磁流体发电、磁 约束聚变等方面发挥重要作用。
THANKS
感谢观看
运动或摆动等。
04
质谱分析方法及应用领 域
洛伦兹力的应用
B +
E
7、如图所示，在x轴的上方有垂直于 平面向里 、如图所示， 轴的上方有垂直于xy平面向里 轴的上方有垂直于 的匀强磁场，磁感应强度为B； 的匀强磁场，磁感应强度为 ；在x轴下方由沿 轴下方由沿 Y轴负向的匀强电场，场强为 。一质量为 、 轴负向的匀强电场， 轴负向的匀强电场 场强为E。一质量为m、 带电量为-q的带电粒子从坐标原点 沿着y轴正 的带电粒子从坐标原点O沿着 带电量为 的带电粒子从坐标原点 沿着 轴正 向射出，射出之后，第三次到达x轴时 轴时， 向射出，射出之后，第三次到达 轴时，它与原 点的距离为L，求此粒子射出时的速度v和运动 点的距离为 ，求此粒子射出时的速度 和运动 Y 的总路程S 的总路程
它们的动能 动能一定各不相同 A. 它们的动能一定各不相同 它们的电量 电量一定各不相同 B. 它们的电量一定各不相同 C. 它们的质量一定各不相同 它们的质量一定各不相同 质量 它们的荷质比 荷质比一定各不相同 D. 它们的荷质比一定各不相同
2． 如图所示 ， 一带电粒子 由静止开始 经电 ． 如图所示， 一带电粒子由静止开始 由静止开始经电 加速后， 压U加速后，从O孔进入垂直纸面向里的匀强 加速后 孔进入垂直纸面向里的匀强 磁场中，并打在了P点 测得OP=L，磁场的 磁场中，并打在了 点。测得 ， 磁感应强度为B，则带电粒子的荷质比 q/m= 不计重力） 。（不计重力） B
B -q O E v X
L
磁流体发动机
• 如图所示，假设极板间距离为d，磁感应强 如图所示，假设极板间距离为 ， 度为B，正负离子电量为e，射入速度为v， 度为 ，正负离子电量为 ，射入速度为 ， 外接电阻为R。则 外接电阻为 。 • （1）图中哪个板是正极板？ ）图中哪个板是正极板？ • （2）发动机的电动势为多大？ ）发动机的电动势为多大？
洛伦兹力与现代技术应用
洛伦兹力与现代技术应用一、质谱仪1．测定带电粒子荷质比的仪器叫做质谱仪.在化学分析、原子核技术中有着重要的应用.2．原理：(1)加速：S 1和S 2之间存在着加速电场．带电粒子由静止从S 1进入电场，求粒子出S 2的速度？(2)匀速直线运动P 1和P 2之间的区域存在着相互正交的匀强磁场和匀强电场．只有满足 （力学条件） ，即v ＝ 的带电粒子才能沿直线匀速通过S 3上的狭缝．(3)偏转：S 3下方空间只存在磁场．带电粒子在该区域做匀速圆周运动．经半个圆周运动后打到底片上形成一个细条纹，测出条纹到狭缝S 3的距离L ，就得出了粒子做圆周运动的半径R ＝ ，根据R ＝m v qB 2，可以得出粒子的荷质比 ．4．应用：质谱仪在化学分析、原子核技术中有重要应用．深度思考质谱仪是如何区分同位素的？例1（多选）如图是质谱仪的工作原理示意图．带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器．速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B 和E .平板S 上有可让粒子通过的狭缝P 和记录粒子位置的胶片A 1A 2.平板S 下方有磁感应强度为B 0的匀强磁场．下列表述正确的是( )A ．质谱仪是分析同位素的重要工具B ．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外C ．能通过狭缝P 的带电粒子的速率等于E BD ．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P ，粒子的比荷越小1.（变式训练）如图所示，一束质量、速度和电荷量不同的正离子垂直地射入匀强磁场和 匀强电场正交的区域里，结果发现有些离子保持原来的运动方向，有些未发生任何偏转．如果让这些不偏转的离子进入另一匀强磁场中，发现这些离子又分裂成几束，对这些进入另一磁场的离子，可得出结论（ ）A.它们的动能一定各不相同B.它们的电荷量一定各不相同C.它们的质量一定各不相同D.它们的电荷量与质量之比一定各不相同课外同步作业班级姓名学号得分1.质谱议是测带电粒子质量和分析同位素的一种仪器，它的工作原理是带电粒子(不计重力)经同一电场加速后垂直进入同一匀强磁场做圆周运动，然后利用相关规律计算出带电粒子的质量．其工作原理如图所示，虚线为某粒子的运动轨迹，由图可知()A．此粒子带负电B．下极板S2比上极板S1电势高C．若只增大加速电压U，则半径r变大D．若只增大入射粒子的质量，则半径r变小2．（多选）质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示，离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x，可以判断()A．若离子束是同位素，则x越大，离子质量越大B．若离子束是同位素，则x越大，离子质量越小C．只要x相同，则离子质量一定相同D．只要x相同，则离子的荷质比一定相同3.如图是质谱仪工作原理的示意图．带电粒子a、b经电压U加速(在A点初速度为零)后，进入磁感应强度为B的匀强磁场做匀速圆周运动，最后分别打在感光板S上的x1、x2处．图中半圆形的虚线分别表示带电粒子a、b所通过的路径，则()A．a与b有相同的质量，打在感光板上时，b的速度比a大B．a与b有相同的质量，但a的电量比b的电荷量小C．a与b有相同的电荷量，但a的质量比b的质量大D．a与b有相同的电荷量，但a的质量比b的质量小4.右图是测量带电粒子质量的仪器的工作原理示意图．设法使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，失去一个电子变成为正一价的分子离子．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，形成垂直于纸面且平行于狭缝S3的细线．若测得细线到狭缝S3的距离为d，导出分子离子的质量m的表达式。
7洛伦兹力的应用
Ｎ
Ｓ
Ｖ
例3：电视机的显像管中，电子束的偏转是用磁偏转技术实现的。电 子束经过电压为U的加速电场后，进入一圆形匀强磁场区，如图所示。 磁场方向垂直于圆面。磁场区的中心为O，半径为r。当不加磁场时， 电子束将通过O点而打到屏幕的中心M点。为了让电子束射到屏幕边 缘P，需要加磁场，使电子束偏转一已知角度θ，此时磁场的磁感应强 度B应为多少？
3、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次， ⊿E K＝qU 每次增加的动能为
所有各次半径之比为：∶ 2∶ 3∶ 1 ... 4、对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半径是相同的。
mv 1 2 B2q 2 R2 由最大半径得： ＝ R E mv qB 2 2m
回旋周数：n
E 2qU
L L
+q m
v
B
四、电磁流量计 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向左流动,导电液 体中的自由电荷(正负电荷)所受洛伦兹力的方向 ?正负电荷在洛伦兹力作用下将如何偏转?a、b间 是否存在电势差?哪点的电势高? 当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时 a、b间的电势差就保持稳定. a
等离子体 ——即高温下电离的气体，含有大量的带正电 荷和负电荷的微粒，总体是电中性的。
磁流体发电机
B L a v
R
Eq=Bqv
电动势： E’=Ea 电流：I=E’/（R+r） r=？ 流体为：等离子束
b
目的：发电
× × × × × a 五、电磁流量计 · 导 d× × × × × · 电 b × × × × ×液 Bqv=Eq=qu/d得v=U/Bd 体
1 2 eU mv 2
洛伦兹力在现代科技中的应用(质谱仪、速度选择器、回旋加速器、磁电式发电子、电磁流量计)
洛伦兹力在现代科技中的应用一、速度选择器如图3-5-5所示，D 1和D 2是两个平行金属板，分别连在电源的两极上，其间有一电场强度为E 的电场，同时在此空间加有垂直于电场方向的磁场，磁感应强度为B 。
S 1、S 2为两个小孔，且S 1与S 2连线方向与金属板平行。
速度沿S 1、S 2连线方向从S 1飞入的带电粒子只有做直线运动才可以从S 2飞出。
因此能从S 2飞出的带电粒子所受的电场力与洛伦兹力平衡，即qE ＝qvB 。
故只要带电粒子的速度满足v ＝EB，即使电性不同，比荷不同，也可沿直线穿出右侧的小孔S 2，而其他速度的粒子要么上偏，要么下偏，无法穿出S 2。
因此利用这个装置可以达到选择某一速度带电粒子的目的，故称为速度选择器。
【练习题组1】1．如图3为一“速度选择器”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 板电势高于b 板，磁场方向垂直纸面向里B ．使a 板电势低于b 板，磁场方向垂直纸面向里C ．使a 板电势高于b 板，磁场方向垂直纸面向外D ．使a 板电势低于b 板，磁场方向垂直纸面向外2．如图所示，两平行金属板水平放置，开始开关S 合上使平行板电容器带电．板间存在垂直纸面向里的匀强磁场．一个不计重力的带电粒子恰能以水平向右的速度沿直线通过两板．在以下方法中，能使带电粒子仍沿水平直线通过两板的是( )A ．将两板的距离增大一倍，同时将磁感应强度增大一倍B ．将两板的距离减小一半，同时将磁感应强度增大一倍C ．将开关S 断开，两板间的正对面积减小一半，同时将板间磁场的磁感应强度减小一半D ．将开关S 断开，两板间的正对面积减小一半，同时将板间磁场的磁感应强度增大一倍3．如图所示的平行板之间，电场强度E 和磁感应强度B 相互垂直，具有不同水平速度的带电粒子(不计重力)射入后发生偏转的情况不同。
洛伦兹力作用下的实际应用问题
一、速度选择器
二、质谱仪 1.荷质比的概念：带电粒子的电荷与质量之比。它 是带电粒子的基本参量。
2.结构 ：
A：电离室:S1—S2：加速电场 S2—S3：速度选择器
B：匀强磁场
D：照相底片
3、原理：
（1）加速电场：使带电粒子
加速
加速：qU 1 mv2 2
v=
2qU m
（2）偏转磁场区：使带电粒子
轨迹发生偏转，并被拍照.
偏转半径 r=mv/qB=
2mU qB2
4、质谱仪：精密测量带电粒子质量和分析同位素 （测荷质比）的仪器（最初由汤姆生发现） 。
例：A、B是两种同位素的原子核，他们具有相同的电荷、不 同的质量。为测定他们的质量比，使他们从质谱仪的同一加 速电场由静止开始加速，然后沿着与磁场垂直的方向进入同 一匀强电场，打到照相底片上。如果从底片上获知A、B在磁 场中运动轨迹的直径之比为1.08:1，求A、B的质量之比。
导学P98页第21题
九、极光
洛伦兹力的作用
• 从太阳或其他星体上， 时刻都有大量的高能粒 子流放出，称为宇宙射 线。这些高能粒子流， 如果都到达地球，将对 地球上的生物带来危害。庆幸的是，地球周围 存在地磁场，改变了宇宙射线中带电粒子的运 动方向，对宇宙射线起了一定的阻挡作用。
以正电荷为例
+
+
2nmu qB2
最终：盒的空间有限
Rmax
mvmax qB
R盒
得vmax
BqR盒 m
b：最大动能
vmax取决于B，R,q m与u无关
EK max
1 2
mv2max
q2B2R2 2m
EK max取决于B，R,q B 与u无关
洛伦兹力的应用
qvB=mv2/R
B
因粒子经O点时的速度垂直于OP ．
故OP 是直径，l=2R
由此得 q/m=2v／Bl
MP l
v ON
三、高能物理研究重要装置——加速器
应用实例流程图:
低速轻核
高速轻核
重核
新核 中子
镍核 钴核
γ
肿瘤 汽化
1．直线加速器 2．回旋加速器
（一）、直线加速器
由于BEPC成功建造和长期稳定运行，使高能所成为我国最有影响的 加速器科学和技术的研究基地，培养和锻炼了一支加速器科技队伍，具备 了开展加速器理论和技术研究所需要的基本计算和实验条件和设备，为今 后加速器技术的发展打下了良好的基础。
数越多，可见加速电压的高低只影响带电粒子加速的总次 数，并不影响引出时的速度和相应的动能，由
Em
q2B2R2 2m
可知，增强B和增大R可提高加速粒子的最终能量，与
加速电压高低无关．
小结：
回旋加速器利用两D形盒窄缝间的电场使带电粒 子加速，利用D形盒内的磁场使带电粒子偏转，带
电粒子所能获得的最终能量与B和R有关，与U无 关．
（二）、回旋加速器
1.1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器， 实现了在较小的空间范围内进行多级加速．
2.工作原理：利用电场对带电粒子的加速作用和 磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这
些过程在回旋加速器的核心部件——两个D形盒
和其间的窄缝内完成。
1931年，加利福尼亚大学的劳伦斯斯提出了一个卓越的思想，
就需要磁场了。因为磁场对携带电荷的运动粒子存在洛伦兹力，只要调
节产生洛伦兹力的磁场的强弱和方向，就可以控制带电粒子的运动方向。
高中物理选择性必修二洛伦兹力的应用
氦核在匀强磁场中做匀速圆周运动，有
mv 2
qvB
r
得
mv
r
qB
粒子的运动周期
2r 2m
T
v
qB
氦核粒子在匀强磁场中做匀速圆周运
动的频率
1
f
得
又因
得
回旋加速器获得的最大动能与哪些因素有关？
T
2mf
B
q
1
Ek mv 2
2
量的。设为x，则：x 2r ，由此可知粒子的比荷及
粒子的质量：
q 8U 1
2 2
m B x
粒子的比荷与偏转距
离x的平方成反比。
则不同比荷的粒子会
被分开按比荷顺序的
大小排列，形成“质
谱”。我们称这仪器
为“质谱仪”
2
qB 2
m
x
8U
利用质谱仪，还可以准
确的知道粒子的质量。
利用质谱仪，科学家们发现了同种元素不同原子质
r
2mEk
2mf
上述例题中氦核在第n次加速后进入Ｄ形盒的回旋半径第n+1次加速后
进入另一Ｄ形盒的回旋半径之比是多少？
解 由动能定理：
1
2
：
mvn nqU
第n次加速获得的动能： 2
1
2
第n+１次加速获得的动能： mvn 1 （n 1）qU
2
2
v
由： qvB m
得
r
mv n
rn
内的时间就越少。
回旋加速器对粒子速度的加速有限度吗
随着人们对带电粒子所获能量要求的提高，回旋加速器
洛伦兹力的应用
回旋加速器
将一束等离子体(即高温下电离的气体,含有大量的带正 电和带负电的微粒,从整体来说呈中性),喷射入磁场,磁 场中有两块平行金属板.
在洛仑兹力作用下,离 子发生偏转,使金属板 上聚集电荷,产生电场, 形成电压. 等离子体 P
+ + v + -
B
d
负 载 R
四.磁流体发电机
设AB板间电压为U, 间距为d ,据电学知识,A、B极板间的 电场强度E=U/d. 设离子速度为V. 离子在复合场中必然同 时受到电场力qE和洛仑兹力BqV. 当qE< BqV 时,离子必然偏转从 而使极板聚集更多的电荷,使得 + 电场增强. 等离子体+
第五节 洛伦兹力的应用
一.质谱仪
让带电粒子先后经过电场的加速作用和磁场的偏转作用,从 而能将各种元素的同位素进行分离并能测量其质量的一种 磁学仪器, 称为质谱仪. 在加速电场中，据动能定理，有
A U D O
qU mv 0
1 2 2
S1 S2 S3
解得： v
2 qU m
粒子在磁场中，作匀 BqV 电压 (电源的输出电压)U=BdV 时,离 子沿直线飞出.
P + -
V
B
d
负 载 R
若将A、B两板接上用电器,则可对用电器供电.一旦两板 电压小于BdV,则离子又将向两极板偏转,以维持两极的电 势差.
应用已有知识怎样测定管道中液体的流量？
带电粒子在复合场中的运动
一、复合场的分类
1、分区域复合 2、同区分时 3、同区同时 二、复合场的典型问题
1、分区域复合
例1．如图所示，在y>0的空间中存在匀强电场，场强沿y 轴负方向；在y<0的空间中，存在匀强磁场，磁场方向垂 直xy平面(纸面)向外．一电量为q、质量为m的带正电的运 动粒子，经过y轴上，y=h处的点P1时速率为v0方向沿x轴正 方向；然后，经过x轴上x=2 h处的P2点进入磁场，并经过y 轴上y=-2 h处的P3点．不计重力．求： (1)电场强度的大小．(2)粒子到达P2时速度大小和方向． (3)磁感应强度的大小．
《洛伦兹力的应用》 讲义
《洛伦兹力的应用》讲义一、什么是洛伦兹力在物理学中，运动电荷在磁场中所受到的力被称为洛伦兹力。
当电荷以速度 v 在磁场 B 中运动时，洛伦兹力 F 的大小可以用公式 F ＝qvBsinθ 来计算，其中 q 是电荷的电量，θ 是速度 v 与磁场 B 的夹角。
洛伦兹力的方向始终与电荷运动的方向垂直，并且与磁场方向垂直。
这一特性决定了洛伦兹力不会对运动电荷做功，只会改变电荷的运动方向。
为了更好地理解洛伦兹力，我们可以想象一个带电粒子在磁场中运动的情景。
假如一个带正电的粒子以一定的速度垂直进入一个匀强磁场，那么它会受到一个垂直于速度方向的力，从而使粒子做匀速圆周运动。
二、洛伦兹力的应用领域1、质谱仪质谱仪是一种用于测量粒子质量和分析同位素的重要仪器。
其工作原理基于洛伦兹力。
在质谱仪中，带电粒子首先经过加速电场加速，获得一定的速度。
然后，这些带电粒子进入一个匀强磁场中。
由于不同质量的粒子在磁场中受到的洛伦兹力不同，它们的运动轨迹半径也不同。
通过测量粒子运动轨迹的半径，就可以计算出粒子的质量。
质谱仪在化学、生物学、地质学等领域都有着广泛的应用。
例如，在化学分析中，可以用来确定化合物的成分和结构；在地质学中，可以用于分析岩石和矿物中的元素成分。
2、回旋加速器回旋加速器是一种利用电场和磁场来加速带电粒子的装置。
带电粒子在回旋加速器的D形盒内运动。
在D形盒的缝隙处，有交变电场，使粒子不断加速。
而在D形盒内部，存在着匀强磁场，带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用，做圆周运动。
通过不断调整电场的频率和磁场的强度，使得粒子在每次通过缝隙时都能被加速。
回旋加速器在核物理研究、放射性治疗等方面发挥着重要作用。
3、磁流体发电机磁流体发电机是一种新型的发电装置。
其原理是利用等离子体（高温下电离的气体）在磁场中流动时，其中的带电粒子受到洛伦兹力的作用，从而在电极上产生电势差。
磁流体发电机具有效率高、污染小等优点，在能源领域具有很大的发展潜力。
洛伦兹力的应用
C、同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大 动能由加速电压决定 D、同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大 动能由磁感应强度B决定和加速电压决定
(A)
三.霍尔效应 d
h qU/h=qvB（即：平衡时电场力=洛伦 兹力） I=nqSv=nqdhv U=IB/nqd=kIB/d k是霍尔系数 B I
1.如图所示，在第一象 限有磁感应强度为B的 匀强磁场，一个质量为 m，带电量为+q的粒子 以速度v从O点射入磁场， θ角已知，求粒子在磁场 中飞行的时间和飞离磁 场的位置（粒子重力不 计）
2.如图所示，一束电子（电量为
e)以速度V垂直射入磁感应强度
为B、宽度为d的匀强磁场，穿透
e
v θ
磁场时的速度与电子原来的入射
4.如图所示，在一个圆形区域内，两个方向相反且都垂 直于纸面的匀强磁场分布在以直径A2A4为边界的两个半 圆形区域Ⅰ、Ⅱ中，A2A4 与A1A3的夹角为60°。一质量 为m，带电量为+q的粒子以某一速度从Ⅰ区的边缘点A1 处沿与A1A3成30°角的方向射入磁场，随后该粒子以垂 直于A2A4的方向经过圆心O进入Ⅱ区，最后再从A4处射 出磁场。已知该粒子从射入到射出磁场所用的时间为t, 求Ⅰ区和Ⅱ区中的磁感应强度的大小。（忽略粒子重 力）。
高考要求：二级
学习目标： 1.进一步熟练掌握洛伦兹力 2.理解质谱仪的工作原理
3.理解回旋加速器的工作原理
知识回顾：匀强磁场中
1、圆周运动的半径
v qvB m R
2
mv R qB
2 m T qB
2、圆周运动的周期
2 R T v
例题： 一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方 的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为 零，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度 为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上。 •（1）求粒子进入磁场时的速率。 •（2）求粒子在磁场中运动的轨道半径。
《洛伦兹力的应用》 知识清单
《洛伦兹力的应用》知识清单一、洛伦兹力的定义与特点洛伦兹力是指运动电荷在磁场中所受到的力。
当电荷以速度 v 在磁场 B 中运动时，所受到的洛伦兹力 F 的大小为 F ＝qvBsinθ，其中 q 为电荷的电荷量，θ 为速度方向与磁场方向的夹角。
洛伦兹力的特点包括：1、洛伦兹力始终与电荷的运动方向垂直，因此洛伦兹力永远不做功。
2、洛伦兹力只改变电荷运动的方向，而不改变其速度的大小。
二、洛伦兹力的应用领域1、质谱仪质谱仪是一种用于测量离子质荷比的仪器。
在质谱仪中，离子源产生的离子经过加速电场加速后进入磁场。
由于不同质荷比的离子在磁场中偏转的半径不同，通过测量离子偏转的半径，可以计算出离子的质荷比。
质谱仪在化学、物理学、生物学等领域有着广泛的应用，例如可以用于分析化合物的成分、测定同位素的相对丰度、研究蛋白质的结构等。
2、回旋加速器回旋加速器是一种利用磁场使带电粒子做回旋运动，同时利用电场对带电粒子进行加速的装置。
在回旋加速器中，带电粒子在磁场中做圆周运动，其周期与速度和半径无关。
通过周期性地改变电场的方向，使带电粒子不断被加速。
回旋加速器在核物理研究、放射性治疗、粒子探测等方面发挥着重要作用。
3、磁流体发电机磁流体发电机是一种将等离子体的动能直接转化为电能的装置。
在磁流体发电机中，高温、高速的等离子体通过磁场时，其中的正负离子在洛伦兹力的作用下分别向两个电极移动，从而在电极之间产生电势差，实现发电。
磁流体发电机具有效率高、功率大等优点，在未来的能源领域有着潜在的应用前景。
4、霍尔效应当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象称为霍尔效应。
霍尔效应是由于运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用而产生的。
通过测量霍尔电势差，可以确定导体中的载流子浓度、迁移率等参数。
霍尔效应在半导体材料的研究、磁传感器的制造等方面有着重要的应用。
三、洛伦兹力应用中的相关计算1、带电粒子在磁场中的运动轨迹当带电粒子在磁场中运动时，如果初速度方向与磁场方向垂直，粒子将做匀速圆周运动。
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【磁场】洛伦兹力的应用7‐质谱仪
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知识讲解部分（A类） 巩固练习评讲（B类）
（A类视频链接）/v_show/id_XMTQxNjQ0NjI0NA==.html
（B类视频链接）/v_show/id_XMTQxNjQ0NjM1Ng==.html
巩固练习（对应网课视频B类）
B1、如图所示是质谱仪的工作原理示意图。
带电粒子被加速电场加速后，进入速度
选择器。
速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。
平板
S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2，平板S下方有磁感应强
度为B0的匀强磁场。
下列表述正确的是（ ）
A．质谱仪是分析同位素的重要工具 B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外
C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B
D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小
B2、如图所示，一束正离子从P处垂直射入匀强电场和匀强磁场相互垂直的区域，结果发现有些离子保持原来的运动方向未发生偏转。
这些离子从磁场边界OOˊ的Q 处垂直射入另一匀强磁场中，又分裂为a、b、c三束，分别运动到磁场边界OOˊ。
关于a、b、c离子束，下列判断正确的是（ ）
A．a离子束的速度最大 B．a、b、c离子束的带电量相等 C．a离子束到达磁场边界OOˊ的时间最长
D．若a离子束的质量是b离子束的2倍，则a离子束的带电量是b离子束的2倍
B3、质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具。
它的构造原理如图所示，离子源S产生带电量为q的某种正离子，离子产生出来时的速度很小，可以看作是静止的，离子经过电压U加速后形成离子束流，然后垂直于磁场方向进入磁感应强度为B的匀强磁场，沿着半圆周运动而到达记录它的照相底片P上。
实验测得它在P上的位置到入口处S1的距离为a，离子束流的电流为I，求：
(1)在时间t内射到照相底片P上的离子数n；(2)求这种离子的质量m。
B4、质谱仪是用来测定带电粒子的质量和分析同位素的位置，如图所示，电容器两极相距为d，两极间电压为U，极板间的匀强磁场的磁感应强度为B 1，一束电荷量
相同的带正电的粒子沿电容器后进入另一磁感应强度为B 2的匀强磁场，
结果分别打在感光片上的a，b 两点，设a，b 两点之间距离为△x ，粒子电荷量为q，不计重力，
求：（1）粒子进入磁场B 2时的速度v ；
（2）打在a，b 两点的粒子的质量之差△m 。
B5、如图所示为一种质谱仪示意图，由加速电场、静电分析器和磁分析器组成．若静电分析器通道的半径为R ，均匀辐向电场的场强为E ．磁分析器中有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感强度为B ．问：
（1）为了使位于A 处电量为q 、质量为m 的离子，从静止开始经加速电场加速后沿图中圆弧虚线通过静电分析器，加速电场的电压U
应为多大？ （2）离子由P 点进入磁分析器后，最终打在乳胶片上Q 点，该点距入射点P 多远？。