带电粒子在复合-场中运动的应用实例..doc

带电粒子在复合场中运动的应用实例 制作者：贲志学 审核人：许学兵 1． 质谱仪 (1)构造：如图所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成． (2)原理：粒子由静止被加速电场加速，根据动能定理可得关系式qU＝eq \f(1,2)mv2. 粒子在磁场中受洛伦兹力作用而偏转，做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律得关系式qvB＝meq \f(v2,r). 由两式可得出需要研究的物理量，如粒子轨道半径、粒子质量、比荷． r＝eq \f(1,B) eq \r(\f(2mU,q))，m＝eq \f(qr2B2,2U)，eq \f(q,m)＝eq \f(2U,B2r2). 2． 回旋加速器 (1)构造：如图所示，D1、D2是半圆形金属盒，D形盒的缝隙处接交流电源，D形盒处于匀强磁场中． (2)原理：交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等，粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙，两盒间的电势差一次一次地反向，粒子就会被一次一次地加速． a．回旋加速器的最大动能 根据qvB＝eq \f(mv2,R)得Ekm＝eq \f(q2B2R2,2m)，可见粒子的最大动能与粒子获得的最大动能由磁感应强度B和D形盒半径r决定，与加速电压无关。加速电压影响粒子的加速次数n＝eq \f(Ekm,qU)及运动时间。 b.加速条件：高频电源的周期与带电粒子在D形盒中运动的周期相等，即T电场＝T回旋＝eq \f(2πm,qB)。 特别提醒　这两个实例都应用了带电粒子在电场中加速、在磁场中偏转(匀速圆周运动) 的原理． 3． 速度选择器(如图所示) (1)平行板中电场强度E和磁感应强度B互相垂直．这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器． (2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是qE＝qvB， 即v＝eq \f(E,B). 4． 磁流体发电机 (1)磁流体发电是一项新兴技术，它可以把内能直接转化为电能． (2)根据左手定则，如图中的B是发电机正极． (3)磁流体发电机两极板间的距离为L，等离子体速度为v，磁场的 磁感应强度为B，则由qE＝qeq \f(U,L)＝qvB得两极板间能达到的最大电势 差U＝BLv. 5． 电磁流量计工作原理：如图所示，圆形导管直径为d，用非磁性材 料制成，导电液体在管中向左流动，导电液体中的自由电荷(正、负离 子)，在洛伦兹力的作用下横向偏转，a、b间出现电势差，形成电场， 当自由电荷所受的电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差就保持 稳定，即：qvB＝qE＝qeq \f(U,d)，所以v＝eq \f(U,Bd)，因此液体流量Q＝Sv＝eq \f(πd2,4)·eq \f(U,Bd)＝eq \f(πdU,4B). 特别提醒 磁流体发电机、电磁流量计的共同特点 (1)根据左手定则，可以确定正、负粒子的偏转方向，从而确定正负极或电势高低。 (2)电势差稳定时，都有qeq \f(U,d)＝qvB。 6. 霍尔效应 在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差，这个现象称为霍尔效应。所产生的电势差称为霍尔电势差，其原理如图所示。 反馈练习： 1． [质谱仪原理的理解]如图所示是质谱仪的工作原理示意图．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匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E.平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2.平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场．下列表述正确的是 (　　) A．质谱仪是分析同位素的重要工具 B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小 2. [回旋加速器原理的理解]劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图所示．置于高真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略．磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U.若A处粒子源产生的质子质量为m、电荷量为＋q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响．则下列说法正确的是(　　) A．质子被加速后的最大速度不可能超过2πRf B．质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比 C．质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为eq \r(2)