洛伦兹力的应用(40张ppt)

V - F洛=qvB
洛仑兹力对电荷只起向心
力的作用，故只在洛仑兹 力的作用下，电荷将作匀 速圆周运动。
带电粒子在匀强磁场中匀速圆周运动 1.速度特征：
速度大小不变，而方向随时间变化。
2.半径特征：
Bqv m v2 r
r mv Bq
3.周期特征：T 2r 2m
有何特征？
根据T 2r 结合r mv
v
qB
可知T 2m
qB
可见同一个粒子在匀强磁场中做匀速圆周 运动的周期与速度无关
回旋加速器就是根据这一特点设计的
应用三：加速器
作用：为了探索原子核内部的构造，需要用高速带电粒子充当 “炮弹”轰击原子核，从而引起原子内部的变化。怎样才能获得 巨大的能量呢？
（2）要增大粒子的最大动能可采取哪些措施？
B
mv D
qB 2
D
V=？
U
EK

1 mv2 2
EK

q2B2D2 8m
问题7：
EK

q2B2D2 8m
D越大，EK越大，是不是只要D不断增大， EK 就可 以无限制增大呢？
实际并非如此．例如：用这种经典的回旋加速器来加 速粒子，最高能量只能达到20兆电子伏．这是因为当 粒子的速率大到接近光速时，按照相对论原理，粒子
问题1：粒子被加速后，运动速率和运动半径都会 增加，它的运动周期会增加吗？
T 2m 与v、r无关
qB T不变
问题2：在回旋加速器中，如果两个D型盒不是分 别接在高频交流电源的两极上，而是接在直流的
两极上，那么带电粒子能否被加速？请在图中画 出粒子的运动轨迹。
×××
×××××
×××××
? × × × × ×
× v0×
×
×
×
×××
问题3：要使粒子每次经过电场都被加速，应在 电极上加一个 交变 电压。 根据下图，说一说为使带电粒子不断得到加速， 提供的电压应符合怎样的要求？
交变电压的周期TE = 粒子在磁场中运动的周期TB
A、A’为两个极板，作用为加速电荷。两板间的电场是周期变化的。
E
T/2 T 3T/2 2T
t
其中： T 2 m
qB
问题4：在回旋加速器加速的带电粒子的最终能 量由哪些因素决定？
观点1：我认为电场是用来加速的，磁场是用来回旋的， 最终的能量应与磁场无关。应与电场有关，加速电压越高， 粒子最终能量越高。对吗？
观点2： ∵运动半径最大Rm=mVm/qB,得Vm=qBRm/m ∴半径最大时，速度也应最大。 ∴带电粒子的运动最大半径等于D形盒的半径时，粒子 的速度达到最大。对吗？
v Bq
周期T与运动速度及运动半径无关
应用一：利用磁场控制带电粒子的运动
• 确定圆心的方法：
• 圆心必定在与速度垂直的方向上； • 圆心必定在弦的中垂线的方向上

tan r R mv0
2R
qB
tan qBr
2 mv0

f
2
对一定的带电粒子（m，q一定），
电视显像管的工作原理
电视显像管应用了电子束在磁场中的偏转原理。 电子枪——产生高能电子束 通电线圈——提供磁场，使电子束发生偏转 荧光屏——使电子束发光

1、匀速直线运动。 2、F洛=qvB
匀速圆周运动。
通过
格雷塞 尔气泡 室显示 的带电 粒子在 匀强磁 场中的 运动径 迹
运动特点
洛伦兹力总与速度方向垂直，不改变带电粒子的速 度大小，所以洛伦兹力不对带电粒子做功。
由于粒子速度的大小不变，所以洛伦兹力大小也不改变， 加之洛伦兹力总与速度方向垂直，正好起到了向心力的作 用。
_
+
S3
应用二：质谱仪
U
阿斯顿利用质谱仪发现 了氖20和氖22，证实了 同位素的存在。
2.加速 3.偏转
qU 1 mv2 2
qvB mv 2 r
r 1 2mU Bq
4.应可用见半径不同 意测味量着带比电荷粒子不的同质，量 意和味分着析它同位们素是不同 的粒子
回顾：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时周期
1932年美国物理学家劳伦斯发明了
回旋加速器,巧妙的应用带电粒子在
磁场中的运动特点解决了这一问题
2.利用磁场使带电粒子偏转回旋
卓越的思想:通过磁场的作用迫使带电 粒子沿着磁极之间做螺旋线运动,把长 长的电极像卷尺那样卷起来
劳伦斯
世界上第一台回旋加速器,直径 为27cm能将质子加速1Mev。
应用三：回旋加速器
第三章《磁场》 第5节 洛伦兹力的应用
带电粒子在匀强磁场中的运动（重力不计）
[问题]：判断下图中带电粒子（电量q，重力不计）所受 洛伦兹力的大小和方向：
F洛=0
-
v

× × ×B× ×
×V × × × ×

B
×××××
×- × +F×洛× v×

× × × × ×
磁场 电场
利用电场加速带电粒子
+
+
qU 1 mv2
+
2wk.baidu.com+U
实验室需要很高的电压才能通过直线加速使粒子获 得较大的速度，可是电压越高，对绝缘的要求也越 高，否则仪器就会被击穿。
1. 利用电场多次加速
Ek q(U1 U2 U3 Un )
大加 学利 的佛 粒尼 子亚 加斯 速坦 器福
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，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖．
（1）回旋加速器的核心部件—— ① 两个D形盒及两个大磁极 ② D形盒间的窄缝 ③ 高频交流电
（2）回旋加速器的原理
1、磁场的作用：偏转回旋 2、电场的作用：加速 3、交变电压的作用：保证带电粒子每次经过窄缝时都被 加速。
本课小结
（一）、磁偏转
（二）、质谱仪
由加速电场、偏转磁场等组成 测量带电粒子的质量 分析同位素
（三）、回旋加速器
由D形盒、高频交变电场等组成 产生高速运动的粒子
直线加速器占地太大，能不能让它小一点
北 京 正 负 离 子 对 撞 机 注入器部分:是全长204m的直线加速器，电子、正
电子加速到1.5×109eV，占有的空间范围大，在有
限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制．
直线加速器可使粒子获得足够大的能 量.但占地面积太大，能否既让带电粒 子多次加速，获得较高能量，又尽可能 减少占地面积呢？
问题5：已知D形盒的直径为D，匀强磁场的磁感 应强度为B，交变电压的电压为U， 求：从出口射出时，粒子的速度v=？
B
解：
当粒子从D形盒出口飞出时，
粒子的运动半径=D形盒的直径
D
V=？
U
mv D qB 2
v qBD 2m
问题6：已知D形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应 强度为B，交变电压的电压为U， 求：（1）从出口射出时，粒子的动能Ek=？
磁偏转与显像管
由实验可以看出，把蹄形磁铁放在显像管 管颈位置，电子束的运动径迹会发生变化，荧 光屏上的发光点位置也会发生变化。
磁偏转与显像管
我们使用的 各种显示器
磁偏转与显像管
它们的主要元件就是带有磁偏转装置的显 像管。
世界上第一只显像管 借助垂直于电子束运动方向的磁场使电子 束改变方向或者发生偏转的方法称为磁偏转。
r mv qB
可见r与速度V、磁感应强度B、粒子的比荷有关
比荷：带电体的电荷量和质量的比
值，叫做比荷，又称荷质比。它是带电 粒子的基本参量
应用二：质谱仪
同一磁场中不同带电粒子的迹径不同 r mv qB
能否根据带电粒子的运动轨迹分辨比荷不 同的粒子？
质谱仪：通过测出粒子圆周运动的半径，计算 粒子的比荷或质量及分析同位素的仪器.
美国伊利诺依州费米实验室加速器
欧洲大型强 子对撞机
给质子加速至接近 光速对撞，研究宇 宙形成和物质根源 的奥秘
回旋加速器特点总结：
1. 在磁场中做圆周运动,周期不变 2. 每一个周期加速两次 3. 电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同 4. 电场一个周期中方向变化两次 5. 粒子加速的最大速度由盒的半径决定 6. 电场加速过程中,时间极短,可忽略
阿斯顿曾做汤姆森的助手，研究带正电粒子射线的研
究，他发明了灵敏度很高（实验误差为千分之一）的 质谱仪。对原子物理的发展具有很重要的意义。为此，
阿斯顿荣获1922年的诺贝尔化学奖。
应用二：质谱仪
1.构造 ①带电粒子注入器 ②加速电场（U） ③速度选择器（E、B1) ④偏转磁场（B2)
⑤照相底片
S1
S2
讨论与交流
⑴.要使电子束打在A点， 磁场应沿什么方向？
垂直屏幕向外
⑵.要使电子束打在B点， 磁场应沿什么方向？
垂直屏幕向里
⑶.要使电子束在屏幕上位置 由B点移到A点，偏转磁场怎 样变化？
A B
向外为正
回顾：带电粒子运动轨迹的半径
思路: 带电粒子做匀速圆周运动，洛伦兹力提
供向心力。
qvB m v2 r
的质量将随速率增大而明显地增加，从而使粒子的回 旋周期也随之变化，这就破坏了加速器的同步条件．
为了获得更高能量的带电粒子，人们又继续寻找新 的途径．例如，设法使交变电源的变化周期始终与 粒子的回旋周期保持一致，于是就出现了同步回旋 加速器．除此之外，人们还设计制造出多种其它的 新型加速器．目前世界上最大的加速器已能使质子 达到10000亿电子伏以上的能量．