洛伦兹力和代五项科技.doc

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1、洛伦兹力在现代物理五项科技一．速度选择器原理其功能是选择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

2、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，当时:粒子向f方向侧移F做负功——粒子动能减少，电势能增加，有当时:粒子向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

3、（1）离子发生器O（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）（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PS

4、4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．问题讨论：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解得：另一种表达形式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．电磁流量计和磁流体发电机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：如图所示圆形管道直径为d（用非磁性材料制成）

5、，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；当自由电荷受电场力和洛伦兹力平衡时，ab间电势差就保持稳定，测出ab间电势差的大小U，则有：，故管道内液体的流量2．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

6、为等离子体，也有人称它为“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

7、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（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。【例题】：磁流体发电是一种新型发电方式，图1和图2是其工作原理示意图。图1中的长方体是发电导管，其中空部分的长、高、宽分别为l、a、b，前后两个侧面是绝缘体，上下两个侧面是电阻可略的导体电极，这两个电极与负载电阻R1相连。整个发电导管处于图2中磁场线圈产生的匀强磁场里，磁感应强度为B，方向如图所示。发电导管内有电阻率为ρ的高温、高速电离气体沿导管向右流动，并通过专用管道导

8、出。由于运动的电离气体受到磁场作用，产生了电动势。发电导管内电离气体流速随磁场有无而不同。设发电导管内电离气体流速处处相同