复合场-现代五项技术应用 非常好

1、复合场现代五项技术的应用速度选择器原理速度选择器是近代物理学研究中常用的一种实验工具，其功能是为了选择某种速度的带 电粒子结构：如图所示平行金属板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；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；在极板两端加垂直极板的档板，档板中心开孔S、S2，孔S、S2水平正对。原理工作原理。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0 +0 -F电=Eq , F洛 = Bq u若.=FEq = Bqu

2、E。0 B即：当粒子的速度vo =-时，粒子匀速运动，不发生偏转，可以从S2孔飞出。由此可 见，尽管有一束速度不同的粒子从S1孔进入，但能从S2孔飞出的粒子只有一种速度，而与 粒子的质量、电性、电量无关几个问题粒子受力特点一一电场力F与洛仑兹力f方向相反粒子匀速通过速度选择器的条彳一一带电粒子从小孔近水平射入，匀速通过叠加 场，并从小孔S2水平射出，电场力与洛仑兹力平衡，即Eq = Bq u出 = E ；使粒子匀速通过选择器的两种途径：当v 一定时调节E和B的大小；当E和B 一定时调节加速电压U的大小；根据匀速运动的条件和功能关系，有q U = mv 1 220m2 k B所以，加速电压应为U

3、 =（4）如何保证F和/的方向始终相反将v0、E、B三者中任意两个量的方向同时改 变，但不能同时改变三个或者其中任意一个的方向，否则将破坏速度选择器的功能。（5）如果粒子从S2孔进入时，粒子受电场力和洛伦兹力的方向相同，所以无论粒子多 大的速度，所有粒子都将发生偏转（6）两个重要的功能关系一一当粒子进入速度选择器时速度v0 /旦，粒子将因侧移而不能通过选择器。如图，设在电场方向侧移Ad后粒子速度为v，0 +町0 X 3电二二 fL X . x 、M=T0 -当v E时：粒子向f方向侧移，F做负功粒子动能减少，电势能增加，有0 B11mv 质谱仪质谱仪主要用于分析同位素，测定其质量，荷质比和含量

4、比，如图所示为一种常用的 质谱仪质谱仪的结构原理 = qE A d + mv 2当v /电，带电粒子就继续偏转，极板上就继续积累电荷，使极板间的场强增加，直到 带电粒子所受的电场力F与洛伦兹力F洛大小相等为止。此后带电粒子进入极板间不再偏 转，极板上也就不再积累电荷而形成稳定的电势差电动势的计算：设两极板间距为d，根据两极电势差达到最大值的条件F洛=F电，即v =，则磁流体发电机的电动势 = Bdv。B dB回旋加速器1932年美国物理学家劳伦斯发明的回旋加速器，是磁场和电场对运动电荷的作用规律在 科学技术中的应用典例，也是高中物理教材中的一个难点，其中有几个问题值得我们进一步 探讨回旋加速器

5、是用来加速带电粒子使之获得高能量的装置。回旋加速器的结构。回旋加速器的核心部分是两个D形金属扁盒（如图所示），在两 盒之间留有一条窄缝，在窄缝中心附近放有粒子源OD形盒装在真空容器中，整个装置放 在巨大的电磁铁的两极之间，匀强磁场方向垂直于D形盒的底面。把两个D形盒分别接到 高频电源的两极上。回旋加速器的工作原理。如图所示，从粒子源O放射出的带电粒子，经两D形盒间 的电场加速后，垂直磁场方向进入某一 D形盒内，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动， 经磁场偏转半个周期后又回到窄缝。此时窄缝间的电场方向恰好改变，带电粒子在窄缝中再 一次被加速，以更大的速度进入另一 D形盒做匀速圆周运动，这样，带电粒

6、子不断被 加速，直至它在D形盒内沿螺线轨道运动逐渐趋于盒的边缘，当粒子达到预期的速率后， 用特殊装置将其引出。问题讨论。高频电源的频率/电。带电粒子在匀强磁场中运动的周期T = 室。带电粒子运动时，每次经过窄缝都被电场 Bq加速，运动速度不断增加，在磁场中运动半径不断增大，但粒子在磁场中每运动半周的时间t =-=驰不变。由于窄缝宽度很小，粒子通过电场窄缝的时间很短，可以忽略不计，粒 2 qB子运动的总时间只考虑它在磁场中运动的时间。因此，要使粒子每次经过窄缝时都能被加速 的条件是：高频电源的周期与带电粒子运动的周期相等(同步)，即高频电源的频率为 f, = q，才能实现回旋加速。电 2兀m粒子

7、加速后的最大动能E。. .m U 2由于D形盒的半径R 一定，粒子在D形盒中加速的最后半周的半径为R，由Bq u =R可知u =，所以带电粒子的最大动能E = 号 =B 2q2R 2。虽然洛伦兹力对带电粒 子不做功，但E却与B有关；由于nqU =竺此=E，由此可知，加速电压的高低只会影响带电粒子加速的总次数， 2并不影响回旋加速后的最大动能。能否无限制地回旋加速。由于相对论效应，当带电粒子速率接近光速时，带电粒子的质量将显著增加，从而带电 粒子做圆周运动的周期将随带电粒子质量的增加而加长。如果加在D形盒两极的交变电场 的周期不变的话，带电粒子由于每次“迟到”一点，就不能保证粒子每次经过窄缝时总

8、被加速。 因此，同步条件被破坏，也就不能再提高带电粒子的速率了粒子在加速器中运动的时间：设加速电压为U，质量为m、带电量为q的粒子共被加速了 n次，若不计在电场中运动 的时间，有：nqU = EmaxB 2 q2 R 2 所以 n =B 2 qR 22 m2 mU又因为在一个周期内带电粒子被加速两次，所以粒子在磁场中运动的时间时间 t = nT = BR 2磁 22U若计上粒子在电场中运动的时间，则粒子在两D形盒间的运动可视为初速度为零的匀加 速直线运动，设间隙为d，有：nd = 1 也 122 md 电I所以t电2 nd 2 mBdR= qU故粒子在回旋加速器中运动的总时间为BR （2d +

9、 兀R）2U因为R d，所以磁r电，故粒子在电场中运动的时间可以忽略两个D形盒的半径为R，两D形盒之间的高频电压为U，偏【例题】有一回旋加速器，转磁场的磁感强度为B。如果一个a粒子和一个质子，都从加速器的中心开始被加速，试求 它们从D形盒飞出时的速度之比。错解：当带电粒子在D形盒内做圆周运动时，速率不变。当带电粒子通过两个D形盒之 间的缝隙时，电场力对带电粒子做功，使带电粒子的速度增大。设带电粒子的质量为m，电 荷为q，在回旋加速器中被加速的次数为n，从D形盒飞出时的速度为V，根据动能定理有:nqU = mV 2，解得 V =, -2m由上式可知，带电粒子从D形盒飞出时的速度与带电粒子的荷质比

10、的平方根成正比，所 以VaVHE分析纠错：上法中认为a粒子和质子在回旋加速器内被加速的次数相同的，是造成错解 的原因。因带电粒子在D形盒内做匀速圆周运动的向心力是由洛仑兹力提供的，对带电粒 子飞出回旋加速器前的最后半周，根据牛顿第二定律有：qBV = m- 解得 V = BR Q因为B、R为定值，所以带电粒子从D形盒飞出时的速度与带电粒子的荷质比成正比。一 一一， Va因a粒子的质量是质子质量的4倍，a粒子的电荷量是质子电荷量的4倍，故有：VVH霍尔效应若1.霍尔效应。金属导体板放在垂直于它的匀强磁场中，当导体板中通过电流时，在平行于磁场且平行于电流的两个侧面间会产生电势差，这种现象叫霍尔效应

11、。霍尔效应的解释。如图，截面为矩形的金属导体，在x方向通以电流I,在z方向加 磁场B,导体中自由电子逆着电流方向运动。由左手定则可以判断，运动的电子在洛伦兹力 作用下向下表面聚集，在导体的上表面A就会出现多余的正电荷，形成上表面电势高，下 表面电势低的电势差，导体内部出现电场，电场方向由A指向A，以后运动的电子将同时 受洛伦兹力尸洛和电场力尸电作用，随着表面电荷聚集，电场强度增加，尸电也增加，最终会 使运动的电子达到受力平衡（F洛 = F电）而匀速运动，此时导体上下两表面间就出现稳定 的电势差。霍尔效应中的结论。设导体板厚度为h（y轴方向）、宽度为通入的电流为I，匀强磁场的磁感应强度为B， 导

12、体中单位体积内自由电子数为n，电子的电量为e，定向移动速度大小为v，上下表面间 的电势差为U；（1）由 Bq u=饱 n U = Bh u （2）实验研究表明，U、I、B的关系还可表达为U = k k为霍尔系数。又由电d流的微观表达式有：I = nes u = nehd u。联立式可得k =。由此可通过霍尔系 ne数的测定来确定导体内部单位体积内自由电子数。（3）考察两表面间的电势差U = Bh u，相当于长度为h的直导体垂直匀强磁场B以速 度v切割磁感线所产生的感应电动势E感=Bh u电磁流量计电磁流量计是利用霍尔效应来测量管道中液体流量（单位时间内通过管内横截面的液体 的体积）的一种设备。其原理为：如图所示圆形管道直径为d （用非磁性材料制成），管道内有向左匀速流动的导电液体，在管道所在空间