第112课时带电粒子在复合场中的运动在现代技术中的应用

【高三物理】第1页共2页第112课时带电粒子在复合场中的运动在现代技术中的应用学习目标：1、知道带电粒子在复合场中的运动在现代技术中的应用的实例。2、会用电磁场知识分析求解有关实例。学习内容：用15分钟学习以下内容速度选择器、磁流体发电机、电磁流量计、霍尔效应等都是带电粒子在复合场中的应用实例，它们的共同之处是：带电粒子在正交的匀强电场和匀强磁场中运动，都应用了电场力和洛伦兹力的平衡即qE＝qvB．1．速度选择器(1)原理：如图所示，由于所受重力可忽略不计，运动方相同而速率不同的正粒子组成的粒子束射人相互正交的匀强电场和匀强磁场所组成的场区中，已知电场强度为B，方向垂直于纸面向里，若粒子运动轨迹不发生偏折（重力不计，，必须满足平衡条件：qBv=qE，故v＝BE，这样就把满足v＝BE的粒子从速度选择器中选择出来了．(2)特点：①速度选择器只选择速度（大小、方向）而不选择粒子的质量和电荷量，如图中若从右侧入射则不能穿出场区．②速度选择器B、E、v三个物理量的大小、方向互相约束，以保证粒子受到的电场力和洛伦兹力等大、反向．如图中只改变磁场B的方向，粒子将向上偏转．③当v＇v＝BE，则qBv＇qE，粒子向上偏转；当v＇v＝BE时，qv＇BqE，粒子向下偏转。对速度选择器来说：(1)从力的角度看，电场力和洛伦兹力平衡qE＝qvB；(2)从速度角度看，v＝BE；(2)从功能角度看，洛伦兹力永不做功．2．磁流体发电机如图所示是磁流体发电机，其原理是：等离子气体喷入磁场，正、负离子在洛伦兹力作用下发生上下偏转而聚集到A、B板上，产生电势差．设A、B平行金属板的面积为S，相距l，等离子气体的电阻率为ρ，喷人气体速度为v，q板间磁场的磁感应强度为B，板外电阻为R，当等离子气体匀速通过A、B板间时，A、B板上聚集的电荷最多，板间电势差大，即为电源电动势．此时离子受力平衡：F场q＝qvB，E场=Bv，故电源电动势E＝E场l＝Blv.3、电磁流量计电磁流量计原理：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（正负离子）在洛伦兹力作用下横向偏转，a、b间出现电势差。当电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差保持稳定，由dUqqEBqv，可得BdUv，流量BdUBdUdSvQ4424、霍尔效应：如图所示，厚度为h、宽度为d的导体板放在方向垂直于其前后表面、磁感应强度为B的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A＇之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应，实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为dkIBU，式中的比例系数k称为霍尔系数．霍尔效应可解释为：外部磁场的洛伦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，横向电场对电子施加与洛伦兹力方向相反的静电力，当静电力与洛伦兹力达到平衡时，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差．5、质谱仪质谱仪主要用于分析同位素，测定其质量、比荷和含量比．图为一种常用的质谱仪的示意图，由离子源(O)、加速电场(U)、速度选择器(E、B1)和偏转磁场(B2)组成．(1)同位素比荷和质量的测定粒子通过加速电场，根据功能关系，有：qUmv221粒子通过速度选择器，根据匀速运动条件，有：1BEv若测出粒子在偏转磁场的轨道直径为d，则有：212222BqBmEqBmvRd所以，同位素的比荷和质量分别为：dBBEmq21EdBqBm221(2)同位素种数和含量比的确定．不同比荷的同位素离子，打在核乳胶片上的位置不同，所以，根据胶片上谱线的条数和强弱，就可确定同位素的种数和含量的多少．6、回旋加速器回旋加速器利用了带电粒子在磁场中做圆周运动的特点，使带电粒子在磁场中改变运动方向，而在电场中加速，使带电粒子在回旋过程中逐渐加速．【高三物理】第2页共2页(1)带电粒子在回旋加速器内运动，决定其最终能量的因素：由于D形金属盒的大小一定，所以不管粒子的大小及带电荷量如何，粒子最终从加速器内射出时应具有相同的旋转半径，由牛顿第二定律得：nnnrvmBqv2并且knnmEmv2由上两式得：mrBqEnkn2222可见，粒子获得的能量与回旋加速器的直径有关，相同情况下直径越大，粒子获得的能量就越大．(2)加速条件：交变电压的周期与粒子做圆周运动的周期相等．(3)回旋加速器的优点是使带电粒子在较小的空间得到电场的多次加速，而使粒子获得较高的能量；缺点是这种经典的加速器使粒子获得的能量不会很高，因为粒子的能量很高时，它的运动速度接近光速．按照狭义相对论，粒子的质量将随着速率的增大而增大，粒子在磁场中的回旋周期将发生变化，这就破坏了回旋加速器的工作条件．当堂考试，规范答题（1-4必做，5选做，15分钟）1、如图所示，两个平行金属板M、N间为一个正交的匀强电场和匀强磁场区，电场方向由M板指向N极，磁场方向垂直纸面向里，OO＇为到两极板距离相等的平行两板的直线．一质量为m，带电荷量为+q的带电粒子，以速度v0从O点射人，沿OO＇方向匀速通过场区，不计带电粒子的重力，则以下说法正确的是()A．带电荷量为--q的粒子以v0从O点沿OO＇方向射入仍能匀速通过场区B．带电荷量为2q的粒子以v0从O点沿OO＇射入仍能匀速通过场区C．保持电场强度和磁感应强度大小不变，方向均与原来相反，粒子以v0从O点沿OO＇射入，则粒子仍能匀速通过场区D．粒子仍以速率v0从右侧的O＇点沿OO＇方向射入，粒子仍能匀速通过场区2、磁流体发电机的原理图如图甲所示，等离子体从左向右以速度v平行于极板射入，两极板间的距离为d，两极板间有图示方向的匀强磁场，磁感应强度为B，问该发电机哪个极板为正极？两极板间的最大电压为多少？3、如图甲所示，一块铜块左右两面接人电路中，有电流I自左向右流过铜板．当垂直铜块的前后表面加一磁感应强度为B的匀强磁场时，在铜块上下两面之间产生电势差，已知铜块前后两面间距为d，上下两面间距为l，铜块单位体积内的自由电子数为n，电子电荷量为e，则铜块上下两面之间的电势差U为多少？哪个面的电势高？4、图是一种质谱仪的示意图，从离子源S产生的正离子（初速度为零）经过S1和S2之间的加速电场进入速度选择器，P1和P2间的电场强度为E，磁感应强度为B1，离子由S3射出后进入磁感应强度为B2的匀强磁场区域，由于各种离子的轨迹半径R不同，因而分别射到底片上不同的位置，形成谱线．(1)若已知S1：S2间的加速电压U以及B2和R，则离子的比荷mq。(2)若已知速度选择器中的电场强度E、磁感应强度B1，R和B2也为已知，则离子的比荷mq。(3)分别使氢的同位素氘和氚的一价正离子经加速电场和速度选择器后以相同的速度进入磁感应强度为B2的匀强磁场。①若保持速度选择器的E和B1不变，则加速电场S1、S2间的电压比应为．②它们的谱线的位置到狭缝S3的距离之比为．5、电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）．为了简化，假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送流体的管道相连接（图中虚线所示），图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料．现于流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面，当导电液体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端相连，I表示测得的电流值。已知流体的电阻率为，不计电流表的内阻，则可求得液体流量是多少？课后探究，仿真训练（10分钟）6、在某回旋加速器中，磁场的磁感应强度为B，粒子源射出的粒子质量为m、电荷量为q，粒子的最大回旋半径为Rm．问：(1)两个半圆形D形盒内有无电场？(2)粒子在盒内做何种运动？(3)所加交变电场的周期是多大？(4)粒子离开加速器时的动能是多大？(5)设两D形盒间电场的电势差为U，盒间距离为d，其间电场均匀，则加速到上述能量所需的时间是多少？