洛伦兹力在现代科技中的应用修改版.doc

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1、洛伦兹力在现代科技中的应用一．速度选择器原理：其功能是选择出某种速度的带电粒子1．结构：如图所示（1）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；（2）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；（3）在极板两端加垂直极板的档板，档板中心开孔S1、S2，孔S1、S2水平正对。2．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，同时受到电场力和洛伦兹力作用若。当粒子的速度时，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

2、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3.粒子匀速通过速度选择器的条件——带电粒子从小孔S1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;即;当粒子进入速度选择器时速度，粒子将因侧移而不能通过选择器。如图，设在电场方向侧移后粒子速度为v，(1)当时:粒子向洛伦兹力f方向侧移电场力F做负功，粒子动能减少，电势能增加，有(2)当时:粒子向电场力F方向侧移，F做正功,粒子动能增加，电势能减少，有二．质谱仪主要用于分析同位素，测定其质量，荷质比和含量比，1．质谱仪的结构原理（1）离子发生器O（发射出电量q、质量m

3、的粒子从A中小孔S飘出时速度大小不计）（2）静电加速器C：静电加速器两极板M和N的中心分别开有小孔S1、S2，粒子从S1进入后，经电压为U的电场加速后，从S2孔以速度v飞出；（3）速度选择器D：由正交的匀强电场E0和匀强磁场B0构成，调整E0和B0的大小可以选择度为v0＝E0/B0的粒子通过速度选择器，从S3孔射出；（4）偏转磁场B：粒子从速度选择器小孔S3射出后，从偏转磁场边界挡板上的小孔S4进入，做半径为r的匀速圆周运动；（5）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PS4间的距离L。装置中S、S1、S2、S3、S4五个小孔在同一条直线上2．问题

4、讨论：质量m和比荷的两种表达形式表达式一：设粒子的质量为m、带电量为q（重力不计），粒子经电场加速由动能定理有：①；粒子在偏转磁场中作圆周运动有：②；联立①②得：，比荷表达式二：同位素荷质比和质量的测定:粒子通过加速电场，通过速度选择器，根据匀速运动的条件:。若测出粒子在偏转磁场的轨道直径为L，则，所以同位素的荷质比和质量分别为。三．磁流体发电机磁流体发电就是利用等离子体来发电。1．等离子体的产生：在高温条件下（例如2000K）气体发生电离，电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

5、“物质的第四态”。2．工作原理:磁流体发电机结构原理如图（1）所示，其平面图如图（2）所示。M、N为平行板电极，极板间有垂直于纸面向里的匀强磁场，让等离子体平行于极板从左向右高速射入极板间，由于洛伦兹力的作用，正离子将向M板偏转，负离子将向N板偏转，于是在M板上积累正电荷，在N板上积累负电荷。这样在两极板间就产生电势差，形成了电场，场强方向从M指向N，以后进入极板间的带电粒子除受到洛伦兹力之外，还受到电场力的作用，只要，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与洛伦兹力大小相等为止。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

6、形成稳定的电势差3．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，则磁流体发电机的电动势。四．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，回旋加速器是用来加速带电粒子使之获得高能量的装置。1．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O。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。2．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

7、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。3．问题讨论。（1）高频电源的频率。带电粒子在匀强磁场中运动的周期，带电粒子运动时，每次经过窄缝都被电场加速