洛伦兹力的实际应用课件.ppt

1、知识回顾知识回顾示波管依靠示波管依靠电场电场使电子束偏转使电子束偏转 显像管中有一个阴极，工作时它能发射电子，荧光屏被显像管中有一个阴极，工作时它能发射电子，荧光屏被电子束撞击就能发光，可是，很细的一束电子打在荧光屏上电子束撞击就能发光，可是，很细的一束电子打在荧光屏上只能使一个点发光，而实际上要使整个屏幕发光，就得只能使一个点发光，而实际上要使整个屏幕发光，就得利用利用磁场磁场使电子束偏转使电子束偏转洛仑兹力的应用洛仑兹力的应用1 1、电视显像管的工作原理电视显像管的工作原理OAB1 1、如果要使电子束打在荧光屏上的、如果要使电子束打在荧光屏上的A A点，偏转磁场应该沿什么方向？点，偏转磁场

2、应该沿什么方向？垂直纸面向外垂直纸面向外2 2、如果要使电子束打在荧光屏上的、如果要使电子束打在荧光屏上的B B点，偏转磁场应该沿什么方向？点，偏转磁场应该沿什么方向？垂直纸面向里垂直纸面向里3 3、如果要使电子束由、如果要使电子束由B B向向A A点移动，点移动，偏转磁场应该怎样变化？偏转磁场应该怎样变化？先垂直纸面向里由最大逐渐减小到零（先垂直纸面向里由最大逐渐减小到零（BOBO），然后变），然后变为垂直纸面向外逐渐增大为垂直纸面向外逐渐增大(OOA A)。洛仑兹力的应用洛仑兹力的应用1 1、电视显像管的工作原理电视显像管的工作原理 电子束在荧光屏上电子束在荧光屏上扫描扫描一一行之后，迅速

3、返回（虚线），行之后，迅速返回（虚线），再做下一次扫描，直到荧光屏再做下一次扫描，直到荧光屏的下端。的下端。电子束从最上一行到最下一行扫描一遍叫做一电子束从最上一行到最下一行扫描一遍叫做一场场，电视面每秒要进行电视面每秒要进行5050场扫描，所以我们感到整个荧光场扫描，所以我们感到整个荧光屏都在发光。屏都在发光。洛仑兹力的应用洛仑兹力的应用1 1、电视显像管的工作原理电视显像管的工作原理显像管颈部的偏转线圈显像管颈部的偏转线圈洛仑兹力的应用洛仑兹力的应用1 1、电视显像管的工作原理电视显像管的工作原理 使电子束偏转的磁场是由两对线圈产生的，这样使电子束偏转的磁场是由两对线圈产生的，这样的线圈叫

4、偏转线圈。为了与显像管的管颈贴在一起，的线圈叫偏转线圈。为了与显像管的管颈贴在一起，偏转线圈常做成马蹄形。偏转线圈常做成马蹄形。BEvEq，Bqv即若洛仑兹力的应用洛仑兹力的应用2 2、速度选择器、速度选择器 如图所示，在平行板电容器间加有正交的匀强电场和如图所示，在平行板电容器间加有正交的匀强电场和匀强磁场，运动电荷垂直于电场及磁场射入运动的电荷匀强磁场，运动电荷垂直于电场及磁场射入运动的电荷受到的电场力和洛仑兹力作用。受到的电场力和洛仑兹力作用。v0F=EqF=Eqf=Bqvf=Bqv粒子向上偏转粒子向上偏转BEvEq，Bqv即若粒子向下偏转粒子向下偏转BEvEq，Bqv即若粒子做匀速直线

5、运动粒子做匀速直线运动 故速率故速率v=E/Bv=E/B的粒子，即使电性不同，荷质比不同，也可沿直线穿出的粒子，即使电性不同，荷质比不同，也可沿直线穿出右侧小孔而其它速率的粒子或者上偏，或者下偏，无法穿出右孔，从而右侧小孔而其它速率的粒子或者上偏，或者下偏，无法穿出右孔，从而该装置可达到该装置可达到选速选速及及控速控速的目的的目的 例例1010带有等量异种电荷的平行金属板带有等量异种电荷的平行金属板a a、b b间存在沿纸面向下的匀间存在沿纸面向下的匀强电场，电场强度为强电场，电场强度为E E，两板间还有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强，两板间还有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为度为B B

6、，如图所示在此正交电磁场的左侧有电量、质量、速度都不相等，如图所示在此正交电磁场的左侧有电量、质量、速度都不相等的各种正、负离子沿平行板方向垂直飞入正交电磁场区，下列说法中正的各种正、负离子沿平行板方向垂直飞入正交电磁场区，下列说法中正确的是确的是 A A只有速度只有速度V=E/BV=E/B的各种离子能沿直线穿过正交电磁场区的各种离子能沿直线穿过正交电磁场区 B B入射速度入射速度v vE/BE/B的离子经过正交电磁场区后，速度都减小的离子经过正交电磁场区后，速度都减小 C C入射速度入射速度v vE/BE/B的正离子经过正交电磁场区后，向的正离子经过正交电磁场区后，向b b板偏转；入射板偏转

7、；入射速度速度v vE/BE/B的负离子经过正交电磁场区后，向的负离子经过正交电磁场区后，向a a板偏转板偏转 D D速度大小等于速度大小等于E/BE/B的电子从的电子从a a、b b两板的右侧垂直飞入正交电磁场区两板的右侧垂直飞入正交电磁场区时，也能直线穿过正交电磁场区时，也能直线穿过正交电磁场区 例例1111、如图，两平行的金属板中间有正交的匀强电场和如图，两平行的金属板中间有正交的匀强电场和匀强磁场，一个带电粒子从垂直于电场和磁场的方向射入匀强磁场，一个带电粒子从垂直于电场和磁场的方向射入两板间（不计重力），并要求水平穿出电磁场区，射进时两板间（不计重力），并要求水平穿出电磁场区，射进时

8、带电粒子的动能减少了若要使带电粒子的动能增加，以带电粒子的动能减少了若要使带电粒子的动能增加，以下方法可行的是下方法可行的是 A A使粒子带电性质与原来相反使粒子带电性质与原来相反 B B使粒子的带电量增加使粒子的带电量增加 C C增大两金属板间的电势差增大两金属板间的电势差 D D增大两板间磁场的磁感强度增大两板间磁场的磁感强度dUEBEv洛仑兹力的应用洛仑兹力的应用3 3、磁流体发电机、磁流体发电机 磁流体发电机是一项新兴技术，它可以把物体的内能直接转化为磁流体发电机是一项新兴技术，它可以把物体的内能直接转化为电能，如图是它的示意图，平行金属板电能，如图是它的示意图，平行金属板A A、B

9、B间有一个很强的磁场，将间有一个很强的磁场，将一束等离子体（一束等离子体（高温下电离的气体，含有大量的带正电荷和负电荷的高温下电离的气体，含有大量的带正电荷和负电荷的微粒，总体是电中性的微粒，总体是电中性的）喷入磁场，）喷入磁场，A A、B B两板间便产生电压。如果把两板间便产生电压。如果把A A、B B和用电器连接，和用电器连接，A A、B B就是一个直流电源的两个电极。就是一个直流电源的两个电极。等离子体通过管道时，在洛伦等离子体通过管道时，在洛伦兹力作用下，正离子向下偏，负兹力作用下，正离子向下偏，负离子向上偏，分别聚集在离子向上偏，分别聚集在 B、A两板上，由此在两板上，由此在B、A两

10、板间产两板间产生电压。生电压。如果把如果把A A、B B和用电器连和用电器连接，接，A A、B B就是一个直流电源的两就是一个直流电源的两个电极。个电极。例例1212、如图是磁流体发电机的示意图，平行金属板如图是磁流体发电机的示意图，平行金属板A A、B B间有一个很强的磁场，将一束等离子体（间有一个很强的磁场，将一束等离子体（高温下电离的高温下电离的气体，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，总体是电中性的性的）喷入磁场，）喷入磁场，A A、B B两板间便产生电压。如果把两板间便产生电压。如果把A A、B B和和用电器连接，用电器连接，A A、B

11、 B就是一个直流电源的两个电极。（就是一个直流电源的两个电极。（1 1）图中图中A A、B B板哪个是发电机的正极？（板哪个是发电机的正极？（2 2）若）若A A、B B板间距离板间距离为为d d，磁感应强度为，磁感应强度为B B，等离子体速度为，等离子体速度为V V，则该发电机的，则该发电机的电动势为多大？电动势为多大？答案答案：B B板为正极；电动势为板为正极；电动势为dvB(1)(1)左手定则判定左手定则判定B B板为正极。板为正极。（2）在洛伦兹力作用下，正负电荷会分别）在洛伦兹力作用下，正负电荷会分别在在B、A两板上聚集，与此同时，两板上聚集，与此同时，A、B板间板间会因电荷的积聚而

12、产生由会因电荷的积聚而产生由B到到A的电场，这的电场，这一电场对带电粒子的静电力与其所受洛伦兹一电场对带电粒子的静电力与其所受洛伦兹力方向相反。如果外电路断开，当力方向相反。如果外电路断开，当qE=qvB成立时，成立时，A、B两板间电压最大值就等于此两板间电压最大值就等于此发电机电动势，即发电机电动势，即U=Ed=dvB.所以此发电机所以此发电机电动势为电动势为dvB.质谱仪是一种分析质谱仪是一种分析同位素同位素、测定带电粒子、测定带电粒子比荷比荷及测定带电粒子及测定带电粒子质量质量的重要工具。的重要工具。二、质谱仪二、质谱仪.1p2p+-2s3s1s速度选择器速度选择器照相底片照相底片质谱仪

13、的示意图质谱仪的示意图二、质谱仪二、质谱仪利用电场加速利用电场加速利用磁场偏转利用磁场偏转-粒子源粒子源2R2RmqUvqUmv2212qmUBqBmvR21加速电压为加速电压为U U-222RBUmqBqmvR BEvEq，Bqv即解：若 例例4 4、如图所示，如图所示，a a、b b、c c、d d为四个正离子，电量相等，为四个正离子，电量相等，速度大小关系为速度大小关系为v va av vb b=v=vc cv vd d，质量关系为，质量关系为m ma a=m=mb bm mc c=m=md d，同时沿图示方向进入粒子速度选择器后，一粒子射向同时沿图示方向进入粒子速度选择器后，一粒子射向

14、P P1 1板，板，一粒子射向一粒子射向P P2 2板，其余两粒子通过速度选择器后，进入另一板，其余两粒子通过速度选择器后，进入另一磁场，分别打在磁场，分别打在A A1 1和和A A2 2两点。则射到两点。则射到P P1 1板的是板的是_粒子，射粒子，射到到P P2 2板的是板的是_粒子，打在粒子，打在A A1 1点的是点的是_粒子，打在粒子，打在A A2 2点的是点的是_粒子。粒子。adcbqvBqE 粒子偏向粒子偏向P2BEvEq，Bqv即若 粒子偏向粒子偏向P1BEvEq，Bqv即若粒子竖直匀速直线粒子竖直匀速直线 例例5 5、如图是质谱仪的工作原理示意图。带电粒子被加如图是质谱仪的工作

15、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匀强磁场和匀强电场的强度分别为B B 和和E E。平板。平板S S上有可让粒上有可让粒子通过的狭缝子通过的狭缝P P和记录粒子位置的胶片和记录粒子位置的胶片A A1 1A A2 2。平板。平板S S下方有强下方有强度为度为B B0 0的匀强磁场。下列表述正确的是的匀强磁场。下列表述正确的是A A质谱仪是分析同位素的重要工具质谱仪是分析同位素的重要工具B B速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外C C能通过的狭

16、缝能通过的狭缝P P的带电粒子的速率等于的带电粒子的速率等于E/BE/BD D粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P P，粒子的荷质比越小，粒子的荷质比越小BqmvR BEvqEqvB 例例6 6、如图所示，一质量为如图所示，一质量为m m，电荷量为，电荷量为q q的粒子从容器的粒子从容器A A下方小孔下方小孔S S1 1飘入电势差为飘入电势差为U=800VU=800V的加速电场，然后经过的加速电场，然后经过S S3 3沿沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B=0.40TB=0.40T的匀强磁场的匀强磁场中，最后打到底片中，最后打到底片

17、D D上上.测得粒子在磁场中运动的轨道半径为测得粒子在磁场中运动的轨道半径为r=5cmr=5cm。求带电粒子的比荷是多少？。求带电粒子的比荷是多少？c/kg100.46答案：答案：mqUvqUmv2212解：qmUBqBmvR21kgckgcRBUmq/100.4/1054.080022622222三、回旋加速器三、回旋加速器 要认识原子核内部的情况，必须把核要认识原子核内部的情况，必须把核“打开打开”进行进行“观察观察”。然而，原子核被强大的核力约束，。然而，原子核被强大的核力约束，只有用极高能量的粒子作为只有用极高能量的粒子作为“炮弹炮弹”去轰击，才能去轰击，才能把它把它“打开打开”。产生

18、高能。产生高能“炮弹炮弹”的的“工厂工厂”就是就是各种各样的粒子加速器。各种各样的粒子加速器。三、回旋加速器三、回旋加速器1.1.加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，子的动能增加，qU=qU=E Ek k2.2.直线加速器，多级加速直线加速器，多级加速 如图所示是多级加速装置的原理图：如图所示是多级加速装置的原理图：3.3.困难：技术上不能产生过高电压；加速设备长。困难：技术上不能产生过高电压；加速设备长。三、回旋加速器三、回旋加速器 解决上述困难的一个途径是把加速电场解决上述困难的一个途径是把加速电场“卷起来卷起来”，用用

19、磁场磁场控制控制轨迹轨迹，用，用电场电场进行进行加速加速。回旋加速器的核心部分是回旋加速器的核心部分是形金属盒，形金属盒，两两形盒之间留有窄缝，中心附近放置离形盒之间留有窄缝，中心附近放置离子源子源(如质子、氘核或如质子、氘核或 粒子源等粒子源等)。在两。在两形盒间接上交流电源，于是在缝隙里形形盒间接上交流电源，于是在缝隙里形成一个交变电场。成一个交变电场。形盒装在一个大的真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，磁场的方向垂直于极之间的强大磁场中，磁场的方向垂直于形盒的底面。形盒的底面。三、回旋加速器三、回旋加速器原理：原

20、理：电场使粒子加速，磁场使粒子回旋。电场使粒子加速，磁场使粒子回旋。离盒时粒子的最大动能：离盒时粒子的最大动能：mqBR0v2k21vmE mRBqE22022k与加速电压无关，由与加速电压无关，由D形盒形盒半径决定。半径决定。BqmT2回旋周期：回旋周期：，与半径、速度的大小无关。，与半径、速度的大小无关。交变电场交变电场周期等于粒子做周期等于粒子做匀速圆周运动匀速圆周运动周期。粒子每转一周期，交变电场方向改变周期。粒子每转一周期，交变电场方向改变两次两次。例例7 7、关于回旋加速器，下列说法正确的是关于回旋加速器，下列说法正确的是 A A电场和磁场都是用来加速粒子的电场和磁场都是用来加速粒

21、子的B B电场用来加速粒子，磁场仅使粒子做圆周运动电场用来加速粒子，磁场仅使粒子做圆周运动C C粒子经加速后具有的最大动能与加速电压值有关粒子经加速后具有的最大动能与加速电压值有关D D为了使粒子不断获得加速，粒子圆周运动的周期为了使粒子不断获得加速，粒子圆周运动的周期等于交流电的半周期等于交流电的半周期mqBR0v2k21vmE mRBqE22022k 例例9 9、有一回旋加速器，他的交变电压的频率有一回旋加速器，他的交变电压的频率为为 ，半圆形电极的半径为，半圆形电极的半径为0.532m0.532m。问加速。问加速氘核所需的磁感应强度为多大？氘核所能达到的最大氘核所需的磁感应强度为多大？氘

22、核所能达到的最大动能为多大？其最大速率有多大？（已知氘核的质量动能为多大？其最大速率有多大？（已知氘核的质量为为 电荷量为电荷量为 ）.Hz10126kg103.327C106.119解解：TqmfBfBqmT56.1212mqBR0v2k21vmE MeVmRBqE67.122022k1721002.4221smmEvmvEKK四、霍尔效应四、霍尔效应 1879 1879年霍耳发现，把一载流导体放在磁场中，如果磁场年霍耳发现，把一载流导体放在磁场中，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势差，这一现象称之为霍

23、耳现象。出现横向电势差，这一现象称之为霍耳现象。四、霍尔效应四、霍尔效应quBf 如图，导电板高度为如图，导电板高度为b b厚度为厚度为 d d放在垂直于它的磁场放在垂直于它的磁场B B中。中。当有电流当有电流I I通过它时，由于磁场使导体内移动的电荷发生偏转，通过它时，由于磁场使导体内移动的电荷发生偏转，结果在结果在 A A、A A 两侧分别聚集了正、负电荷，在导电板的两侧分别聚集了正、负电荷，在导电板的A A、A A 两侧会产生一个电势差两侧会产生一个电势差U U。设导电板内运动电荷的平均定向速率为设导电板内运动电荷的平均定向速率为u u，它们在磁场中受到的洛仑兹力为：，它们在磁场中受到的

24、洛仑兹力为：当导电板的当导电板的A A、A A 两侧产生电势差后，两侧产生电势差后，运动电荷会受到电场力：运动电荷会受到电场力：qbUEqF导电板内电流的微观表达式为：导电板内电流的微观表达式为：ubdnqnqsuI)(由以上各式解得：由以上各式解得：dIBnqU1其中其中 叫叫霍尔系数霍尔系数nqK1 例例1010、霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛仑兹力使运动的电子聚集在霍尔效应可解释如下：外部磁场的洛仑兹力使运动的电子聚集在导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场导体板的一侧，在导体板的另一侧会出现多余的正电荷，从而形成横向电场对电子施加与洛仑兹力方向相反的静电力

25、。当静电力与洛仑兹力达到平衡时，对电子施加与洛仑兹力方向相反的静电力。当静电力与洛仑兹力达到平衡时，导体上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流导体上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流I I是由电子的定向流动形是由电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为成的，电子的平均定向速度为v v，电量为，电量为e e。回答下列问题：。回答下列问题：（1 1）达到稳定状态时，导体板上侧面）达到稳定状态时，导体板上侧面A A的电势的电势_下侧面的电势下侧面的电势（填高于、低于或等于）。（填高于、低于或等于）。（2 2）电子所受洛仑兹力的大小为）电子所受洛仑兹力的大小为_。（3 3）当导体板上下两侧之间的电势差为）当导体板上下两侧之间的电势差为U U时，电子所受静电力的大小时，电子所受静电力的大小为为_。（4 4）由静电力和洛仑兹力平衡的条件，证明霍尔系数）由静电力和洛仑兹力平衡的条件，证明霍尔系数 K=K=，其中，其中n n代表导体板单位体积中电子的个数。代表导体板单位体积中电子的个数。ne1高于高于BeVBeVUe/hUe/h