(学案)洛伦兹力和现代五项科技

1、工作原理:工作原理:速度选择器原理：其功能是选择的带电粒子设一束质量、电性、带电量、速度均不同的粒子束(重力不计)，从S1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，受至I 力和作用当粒子的受力满足,即速度满足时，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S22 1 2 孔飞出的粒子只有一种速度，而与粒子的无关.质谱仪：主要用于测量粒子的质量、比荷、研究同位素质谱仪的结构原理离子发生器A (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)静电加速器：粒子从S1进入后，经电压为U的电场加速后，从S2孔以

2、速度v飞出；1偏转磁场B：从偏转磁场边界挡板上的小孔S3进入，做半径为r的匀速圆周运动；3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间的距离L。4问题讨论：设粒子的质量为叭 带电量为q (重力不计)，加速电场的电压为U,粒子经电场加速由 动能定理有：.；磁场的磁感应强度为B，若测出粒子在偏转磁场的轨道直径为L， 则L=， 所以同位素的荷质比和质量分别为m=;q/m=。霍尔效应霍尔效应。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。2霍尔效应的解释。如图，截面为矩形的金属

3、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 表面聚集，在导体的上表面A就会出现多余的电荷，形 表面电势高，表面电势低的电势差，导体内部出现场，电场方向由，以后运动的电子将同时受和作用，随着表面电荷聚集，力增加，最终会使运动的电子达到受力平衡而匀速运动，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d、通入的电流为I,匀强磁场的磁感应强度为B，上下表面间的电势差为U。导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 下表面间的电势差的表达式4、应

4、用(1).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：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，在管道所在空间加一 垂直管道向里的匀强磁场，设磁感应强度为B；管道内随 液体一起流动的自由电荷(正、负离子)在洛伦兹力作用下垂直磁场方向偏转，使管道上 ab两点间有电势差，管道内形成电场；当自由电荷 时，ab间电势差就保持稳定，测出ab间电势差U的大小，则粒子运动的速度v=,故管道内液体的流量Q=(2).磁流体发电机：就是利用等离子体来发电。等离子体的产生：在高温条件下(例如2000K)气体发生电离，电

5、离后的气体中含有离 子、电子和部分未电离的中性粒子，因为正负电荷的密度几乎相等，从整体看呈电中性，这 种高度电离的气体就称为等离子体，也有人称它为“物质的第四态”。偏转，形成了电场，场强方向,以后进入极板间的带电粒子除受到洛伦兹力F洛之外，还受到电场力F的作用，只要F F，带电粒子就继续偏转，极板上就继续积累 电洛 电电荷，使极板间的场强增加，直到带电粒子所受白为止。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，即v=，则磁流体发电机的电动势E=回旋加速器1932年美国物理学家劳伦斯发明的回旋加速器，

6、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回旋加速器是用来加速带电粒子使之获得高能量的装置。因此，要使粒子每次经过窄缝时都能被加速的条件是：即高频电源的频率为/电=，才能实现回旋加速。(2)粒子加速后的最大动能即高频电源的频率为/电=，才能实现回旋加速。D形盒的半径R 一定，粒子圆周运动的最后半周的半径为R,根据可知,粒子最终的速度v=,所以带电粒子的最大动能Ekm=加速次数加速一次获得的能量：;加速的次数由此可知，加速电压的高低只会影响，并不影响粒子在加速器中运动的时间：BB一个周期内带电粒子被加 次，所以粒子在磁场中运动的时间t=若计上粒子在电场中运动的时间，则粒子在两D形盒

7、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 二 1 qu2 md因为因为R d，所以t t，故粒子在电场中运动的时间可以忽略 磁电1.回旋加速器的结构。回旋加速器的核心部分是两个D形盒(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0。D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。 工作原理。从粒子源0放射出的带电粒子，经两D形盒间的电场后，垂直磁场方向进入某一 D形盒内，在洛伦兹力的作用下彳 运动，经磁场偏转个周期后又回到窄缝。此时窄缝间的电场方向恰好，带电粒子在窄缝中再一次被，以更大的速度进入另一D形盒做 ，这样，带电粒子不断被加速，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：加速电压为U,粒子的质量为m、带电量为q,(1)高频电源的频率f 电带电粒子在匀强磁场中运动的周期T=带电粒子运动时，每次经过窄缝都被电场加速，运动速度，在磁场中运动半径，但粒子在磁场中每运动