磁场中的电学仪器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,夏邑第一高级中学分校,第3单元 带电粒子在复合场中的运动,探究任务：,1,；从受力分析的角度，分析物理过程。,2,：从功能关系的角度，分析物理过程。,三、复合场中的物理模型及应用,1,、速度选择器,2.,质谱仪,3.,磁流体发电机,4.,回旋加速器,在磁场中做圆周运动,周期不变,每一个周期加速两次,电场变化周期与在磁场中运动的周期相同,电场一个周期中方向变化两次,最大半径与最大速度相对应,电场加速过程中,时间极短,可忽略,加速器,问题,1,：用什么方法可以加速带电粒子,?,利用加速电场可以加速带电粒子,+,U,+,+,+,问题,2,：要使一个带正电粒子获得更大的,速度,(,能量,)?,采用多个电场,使带电粒子多级加速,采用上图进行多级加速,真的可行吗,?,有什么问题,?,如何改进,?,改进办法：采用静电屏蔽,可以用金属圆筒代替原来的极板,这样，既可以在金属圆筒的间隙处形成加速电场，又使得圆筒内部的场强为零，从而消除了减速电场的不利影响,加速,匀速,进一步改进：,为了简化装置，我们可用一个公用电源来提供各级的加速电压,如果我们要加速一带正电的粒子,若电源的极性保持恒定（始终为,A,正,B,负）,你认为这个粒子能够“一路顺风”,不断加速吗,?,为了实现带电粒子的多级加速，应该采用,交变电源,，使粒子进入每一级都能继续加速。并且,电源极性的变化还必须与粒子的运动配合默契，步调一致,，,即要满足,同步条件,。,直线加速器,多级直线加速器应具备的条件：,筒间加速,筒内静电屏蔽,利用,电场加速,带电粒子；,通过,多级加速,获得高能粒子；,将加速电场以外的区域,静电屏蔽,；,采用,交变电源,提供加速电压；,电场交替变化与带电粒子运动应满足,同步条件,斯坦福大学,的加速器,直线加速器占地太大，能不能让它小一点,1932,年,美国物理学家劳仑斯发明了,回旋加速器,，,从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖,三、回旋加速器,1,、结构,：,两个,D,形盒及两个大磁极 ,D,形盒间的窄缝 ,高频交流电,三、回旋加速器,2,、原理,交变电压：保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速。,用磁场控制轨道、用电场进行加速,问题,1,：,粒子被加速后，运动速率和运动半径都会增加，它的运动,周期会增加吗,?,问题,2,：,在回旋加速器中，如果两个,D,型盒不是分别接在,高频交流电源,的两极上，而是接在,直流,的两极上，那么带电粒子能否被加速？请在图中画出粒子的运动轨迹。,?,问题,3,：,要使粒子每次经过电场都被加速，应在电极上加一个,电压。,交变,交变电压的周期,T,E,=,粒子在磁场中运动的周期,T,B,根据下图，说一说为使带电粒子不断得到加速，提供的电压应符合怎样的要求？,问题,4,：,回旋加速器加速的带电粒子的最终能量由哪些因素决定,?,观点,1,：认为,电场是用来加速的,，,磁场是用来回旋的,，最终的能量应与磁场无关。应与电场有关，加速,电压越高，粒子最终能量越高。,对吗？,观点,2,：,运动半径最大,R,m,=,mV,m,/qB,得,V,m,=,qBR,m,/m,半径最大时，速度也应最大。,带电粒子的运动,最大半径等于,D,形盒的半径,时,，粒子的速度达到最大。,对吗？,问题,5,：,已知,D,形盒的直径为,D,，匀强磁场的磁感应强度为,B,，交变电压的电压为,U,，,求：从出口射出时，粒子的速度,v=?,D,V=,？,U,B,解：,当粒子从,D,形盒出口飞出时，,粒子的运动半径,=D,形盒的半径,问题,6,：,已知,D,形盒的直径为,D,，匀强磁场的磁感应强度为,B,，交变电压的电压为,U,，,求,:,(,1),从出口射出时，粒子的动能,E,k,=?,(2),要增大粒子的最大动能可采取哪些措施,?,D,V=,？,U,B,问题,7,：,D,越大，,E,K,越大，是不是只要,D,不断增大，,E,K,就可以无限制增大呢,?,实际并非如此例如：用这种经典的回旋加速器来加速粒子，最高能量只能达到,20MeV,这是因为,当粒子的速率大到接近光速时，按照相对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地增加,，从而使,粒子的回旋周期也随之变化,，这就破坏了加速器的同步条件,为了获得更高能量的带电粒子，人们又继续寻找新的途径例如，设法使交变电源的变化周期始终与粒子的回旋周期保持一致，于是就出现了同步回旋加速器除此之外，人们还设计制造出多种其它的新型加速器目前世界上最大的加速器已能使质子达到,10000,亿,eV(10,6,MeV),以上的能量,美国,费米实验室加速器,4,一个回旋加速器，当外加电场的频率一时，可以把质子的速率加速到,v,，质子所能获得的能量为,E,，则：,这一回旋加速器能把,粒子加速到多大的速度？,这一回旋加速器能把,粒子加速到多大的能量？,这一回旋加速器加速,粒子的磁感应强度跟加速,质子的磁感应强度之比为？,=,v,4,E,21,限时训练：,1,、如图示，以质量为,m,带正电小球，由某一高度处,自由下落一复合场区域内（,B,、,E,方向如图示）。，则,下列说法正确的是（）,A,、可能是直线运动。,B,、一定是匀速直线运动,C,、一定是曲线运动。,D,、可能是匀加速直线运动。,.,如图所示是一种测量血管中血流速度仪器的示意图，在动脉血管两侧分别安装电极并加有磁场。设血管直径,2.0mm,，,磁场的磁感应强度为,0.080T,，,电压表测出的电压为,0.10mV,，,求：,血流速度大小 约为,_,m/s,。,0.625,N,S,V,v,电极,C,I,B,d,h,5,、霍尔效应,霍尔效应这一现象是,美国,物理学家霍尔（,A.H.Hall,，,18551938,）于,1879,年在研究金属的导电机构时发现的。当,电流,垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现,电势差,，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。,练习（,2000,理科综合）如图所示厚度为,h,，,宽度为,d,的导体板放在垂直于它的磁感应强度为,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,U=,kIB/d,式中的比例系数,K,称为霍尔系数 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，从而形成横向电场横向电场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，导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差。设电流,I,是电子的定向流动形成的，电子的平均定向速度为,v,，,电量为,e,回答下列问题：,（,1,）达到稳定状态时，导体板上侧面,A,的电势,下侧面,A,的电势（填：高于、低于或等于）。,(2),电子所受的洛仑兹力的大小为,。,(3),当导体板上下两侧之间的电势差为,U,时，电子所受静电力的大小为,。,(4),由静电力和洛仑兹力平衡的条件，证明霍尔系数为,k=1/ne,其中,n,代表导体板单位体积中电子的个数,导学,P98,页第,21,题,I,B,d,h,霍尔效应,I=,neSv,=,nedhv,eU/h,=,evB,U=IB/,ned,=,kIB/d,k,是霍尔系数,