1.4 质谱仪 回旋加速器课件（共33张ppt）人教版（2019）选择性必修第二册第一章 安培力与洛伦兹力

(共33张PPT)
质谱仪 回旋加速器 磁流体发动机
洛伦兹力的应用
洛伦兹力
定义
与安培力的关系
电荷在磁场中所受的力．
通电导线在磁场中所受的安培力是洛伦兹力的 ，而洛伦兹力是安培力的微观解释．
合力或宏观表现
运动
大小
FB=Bq
B V

B与V的夹角为
FB=Bq
V
B
FB=Bq sin
FB=B垂直q
最大
B V
//
FB=0
洛伦兹力
方向
I
FB
B
I
FB
B
+
-
V
V
FB B ，FB V ， FB B 与V决定的平面



正电荷，四指指向
与运动方向相同
负电荷，四指指向
与运动方向相反
左手定则
+
洛伦兹力
方向
I
FB
B
I
FB
B
+
-
V
V
FB B ，FB V ， FB B 与V决定的平面



正电荷，四指指向
与运动方向相同
负电荷，四指指向
与运动方向相反
左手定则
FB
V
Bq =m
=
T=
T=
半径公式
周期公式
比荷相同的粒子，在同一匀强磁场中做匀速圆周运动的周期相等，与速度和半径无关。
V
FB
V
FB
V
质谱仪
U
加速器
速度选择器
磁场偏转器
加速器
qU＝mv2.
速度选择器
两极板电压为为带电粒子做匀速运动。
B1qv＝
磁场偏转器
r
B2q =m
测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．
+
+
-
-
2
质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．如图6所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量，让氢元素三种同位素的离子流从A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场，加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，氢的三种同位素最后打在底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”，则下列判断正确的是(　　)
A．进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氚、氘、氕
B．进入磁场时动能从大到小排列的顺序是氕、氘、氚
C．在磁场中运动时间由大到小排列的顺序是氕、氘、氚
D．a、b、c三条“质谱线”依次排列的顺序是氚、氘、氕
跟我走
大显身手
例1
D
(2018·全国卷Ⅲ)如图，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U加速后在纸面内水平向右运动，自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直．已知甲种离子射入磁场的速度大小为v1，并在磁场边界的N点射出；乙种离子在MN的中点射出；MN长为l.不计重力影响和离子间的相互作用．求：
(1)磁场的磁感应强度大小；
(2)甲、乙两种离子的比荷之比．
跟我走
大显身手
例2
味道江湖
太明论理
如图所示为一种质谱仪的示意图，由加速电场、静电分析器和磁分析器组成．若静电分析器通道中心线的半径为R，通道内均匀辐射电场在中心线处的电场强度大小为E，磁分析器内有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向外．一质量为m、电荷量为＋q的粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器，由P点垂直边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q点．不计粒子重力．求：
(1)加速电场的电压；
(2)P、Q两点间的距离s.
跟我走
大显身手
例3
味道江湖
太明论理
回旋加速器
回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？
回旋和加速
对交流电源的周期有什么要求？在一个周期内加速几次？
交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期．在一个周期内加速两次．
带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？如何提高粒子的最大动能？
Bq =m
要提高带电粒子获得的最大动能，则应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R.
=
回旋加速器
提高交流电的电压可以提高粒子的最大动能吗？
不能
提高交流电的电压可以减少粒子加速的次数吗？
能
NqU=
粒子在回旋加速器中运动的时间：
电场中运动的时间
磁场中运动的时间
粒子在回旋加速器中运动的总时间：t=+
因为很短，可以忽略，t=
U d
回旋加速器
U d
中第K条轨道的半径与为多少？
（2K-1）qU=m
Bq =m
2nqU=m
Bq =m
-
1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图5所示，核心部分为两个铜质D形盒，其间留有空隙，将其置于匀强磁场中，两盒分别与高频交流电源相连，下列说法正确的是(　　)
跟我走
大显身手
例1
A．粒子被加速后的最大动能随加速电场电压的增大而增大
B．粒子由加速器的边缘进入加速器
C．电场变化周期由粒子的质量、电荷量和磁感应强度决定
D．为使被加速的粒子获得的动能增加为原来的4倍，可只将D形盒的半径增大为原来的2倍
C
D
如图所示，两个处于同一匀强磁场中的相同的回旋加速器，分别接在加速电压U1和U2的高频电源上，且U1>U2，两个相同的带电粒子分别从这两个加速器的中心由静止开始运动，设两个粒子在加速器中的运动的时间分别为t1和t2(在盒缝间加速时间忽略不计)，获得的最大动能分别为Ek1和Ek2，则(　　)
A．t1Ek2 B．t1＝t2，Ek1C．t1t2，Ek1＝Ek2
跟我走
大显身手
例2
C
如图所示，两个相同的回旋加速器处于不同的匀强磁场中的，磁感应强度分别为分别接在加速电压U1和U2的高频电源上，且U1=2U2，频率分别为，且,质子和粒子分别从这两个加速器的中心由静止开始运动，设两个粒子在加速器中的运动的时间分别为t1和t2(在盒缝间加速时间忽略不计)，获得的最大动能分别为Ek1和Ek2，则(　　 )
A．=1:4
B．t1：t2=1:8
C．Ek1:Ek2 =1:8
D． Ek1:Ek2 =1:16
跟我走
大显身手
例3
1
2
质子加速
粒子加速
速度选择器
+
+++++++++++++++++++++++++++++++
------------------------------------------
-
qE
Bq
qE
Bq
1
2
匀速直线运动
qE
Bq
qE
Bq
qE
Bq
正电荷偏向上极板
负电荷偏向下极板
正电荷偏向下极板
负电荷偏向上极板
速度选择器
请判断
磁场方向
请判断
电场方向
磁流体发电机
磁流体发电机，又叫等离子发电机。磁流体发电中的带电流体，它们是通过加热燃料、惰性气体、碱金属蒸气而得到的。在几千摄氏度的高温下，这些物质中的原子和电子的运动都很剧烈，有些电子甚至可以脱离原子核的束缚，发生电离，结果，这些物质变成自由电子、失去电子的离子以及原子核的混合物，这就是等离子体，等离子体整体不显电性。将等离子体以超音速的速度喷射到一个加有强磁场的管道里面，等离子体中带有正、负电荷的高速粒子，在磁场中受到洛伦兹力的作用，分别向两极板偏移，于是正负电荷累积在两极板上并在两极之间产生电压，用导线将电压接入电路中就可以使用了。
等离子束
磁流体发电机的原理
K
M
N
M、N板分别带什么电？
M、N板分别带负电和正电。
面积为S的M、N板之间的距离为d, 磁感应强度为B,等离子体的速度为.求稳定时两板之间的电压U。
q
Bq
U=Bd
两板之间的磁流体的电阻率为求其电阻r=
r=
闭合开关，求流过电阻R的电流I=
I =
这就是电源电动势
如果每秒流过两板之间的等离子体的质量为m,进入前的速度为，穿出后的速度为，转化为电能的效率为K,求发动机的功率P=
P=
在一个磁场中放置一块导体，在垂直于磁场的方向上施加一个电流时，载流的带电粒子会在磁场力作用下发生偏转，导体横向两侧的电荷会重新分布，从而产生一个内部的电场。这个现象便是霍尔效应，由此产生的导体两端的电势差通常称为霍尔电压（Hall voltage）。这一现象于1879年由美国科学家 Edwin Hall 发现。
当载流子受到的磁场力和电场力相互抵消时，导体两侧的电荷分布趋于平衡，内部电场趋于稳定，霍尔电压将会达到一个恒定值。
霍尔效应
霍尔电压
Be =e
nebd = I
n为单位体积的自由电子数
=
K为霍尔系数
K越大，导电性能越弱；k越小，导电性能越强。
+++++++++
------------
N
M
M
霍尔效应的应用
N
N
载流子（导电电荷）为电子，为N型半导体
载流子（导电电荷）为正电荷（空穴），为P型半导体
+
+
+
+
N
电磁流量计
U=kBD
k
Q=S
Q=
可以将电压表直接改为流量计,刻度均匀。
流量
Bq =q
=BD
U
如图所示为一长方体容器，容器内充满 NaCl 溶液，容器的左右两壁为导体板，将它们分别接在电源的正、负极上，电路中形成一定的电流，整个装置处于垂直于前后表面的匀强磁场中，则关于液体上、下两表面的电势，下列说法正确的是( )
A. 上表面电势高，下表面电势低
B. 上表面电势低，下表面电势高
C. 上、下两表面电势一样高
上、下两表面电势差的大小与
磁感应强度及电流强度的大小有关
跟我走
大显身手
例1
C
跟我走
大显身手
例2
如图，铜质导电板（单位体积的电荷数为 n）置于匀强磁场中，用电源、开关、电流表、电压表可以测出磁感应强度的大小和方向。将电路接通，串联在 AB 线中的电流表读数为 I，电流方向从 A 到 B，并联在 CD 两端的电压表的读数为 UCD＞0，已知铜质导电板厚 d、横截面积为 S，电子电荷量为 e。则该处的磁感应强度的大小和方向可能是（ ）
A、纸面向外
B、向上
C、纸面向里
D、向下
A
如图所示为利用海流发电的磁流体发电机原理示意图，矩形发电管道水平东西放置，整个管道置于方向竖直向上，磁感应强度大小为 B 的匀强磁场中，其上、下两面是绝缘板，南、北两侧面 M、N 是电阻可忽略的导体板，两导体板与开关 S 和定值电阻 R 相连，已知发电管道长为 L，宽为 d，高为 h，海水在发电管道内以恒定速率 v 朝正东方向流动。发电管道内的海水在垂直流动方向的电阻为 r，海水在管道内流动时受到摩擦阻力大小恒为 f，不计地磁场的影响，则( )
A.北侧面 N 的电势高
B.开关 S 断开时，M，N 两端的电压为 Bdv
C.开关 S 闭合时，发电管道进、出口两端压
力差 F＝f+
D.开关 S 闭合时，电阻 R 上的功率为R
跟我走
大显身手
例3
(多选)为了测量某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图 所示的流量计．该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为 a、b、c，左、右两端开口，在垂直于前、后面的方向加磁感应强度为 B 的匀强磁场，在上、下两个面的内侧固定有金属板 M、N 作为电极．污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压 U，用 Q 表示污水流量(单位时间内流出的污水体积)．下列说法中正确的是 ( )
A．若污水中负离子较多，则 N 板电势比 M 板电势高
B．M 板电势一定高于 N 板的电势
C. 污水中离子浓度越高，电压表的示数越大
D. 电压表的示数 U 与污水流量 Q 成正比
跟我走
大显身手
例4
华
山
论
剑
之
太明论理
味道江湖
-
+++++++++++++++++++++++++++++++
------------------------------------------
+