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1、磁场中的电学仪器第1页，本讲稿共34页探究任务：探究任务：1；从受力分析的角度，分析物理过程。；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。：从功能关系的角度，分析物理过程。第2页，本讲稿共34页三、复合场中的物理模型及应用三、复合场中的物理模型及应用1 1、速度选择器、速度选择器第3页，本讲稿共34页2.质谱仪质谱仪第4页，本讲稿共34页3.3.磁流体发电机磁流体发电机第5页，本讲稿共34页4.4.回旋加速器回旋加速器第6页，本讲稿共34页1.在磁场中做圆周运动在磁场中做圆周运动,周期不变周期不变2.每一个周期加速两次每一个周期加速两次3.电场变化周期与在磁场中运动的
2、周期相同电场变化周期与在磁场中运动的周期相同4.电场一个周期中方向变化两次电场一个周期中方向变化两次5.最大半径与最大速度相对应最大半径与最大速度相对应6.电场加速过程中电场加速过程中,时间极短时间极短,可忽略可忽略第7页，本讲稿共34页加速器加速器问题问题1：用什么方法可以加速带电粒子：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利用加速电场可以加速带电粒子+U+第8页，本讲稿共34页问题问题2：要使一个带正电粒子获得更大的：要使一个带正电粒子获得更大的 速度速度(能量能量)?采用多个电场采用多个电场,使带电粒子多级加速使带电粒子多级加速采用上图进行多级加速采用上图进行多级加速,
3、真的可行吗真的可行吗?有什么问题有什么问题?如何改进如何改进?第9页，本讲稿共34页改改改改进办进办进办进办法：采用静法：采用静法：采用静法：采用静电电电电屏蔽屏蔽屏蔽屏蔽可以用金属可以用金属可以用金属可以用金属圆圆圆圆筒代替原来的极板筒代替原来的极板筒代替原来的极板筒代替原来的极板这样这样，既可以在金，既可以在金属属圆圆筒的筒的间间隙隙处处形成加速形成加速电场电场，又使得，又使得圆圆筒内部的筒内部的场场强强为为零，从而消除了减速零，从而消除了减速电场电场的不利影响的不利影响加速加速匀速匀速第10页，本讲稿共34页进一步改进：进一步改进：为了简化装置，我们可用一个公用电为了简化装置，我们可用一
4、个公用电源来提供各级的加速电压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如果我们要加速一带正电的粒子,若电源的极若电源的极性保持恒定（始终为性保持恒定（始终为A正正B负）负）,你认为这个你认为这个粒子能够粒子能够“一路顺风一路顺风”,不断加速吗不断加速吗?第11页，本讲稿共34页 为了实现带电粒子的多级加速，为了实现带电粒子的多级加速，应该采用应该采用交变电源交变电源，使粒子进入每，使粒子进入每一级都能继续加速。并且一级都能继续加速。并且电源极性电源极性的变化还必须与粒子的运动配合的变化还必须与粒子的运动配合默契，步调一致默契，步调一致，即要满足即要满足同步条同步条件件。第12页，本讲
5、稿共34页直线加速器直线加速器多级直线加速器应具备的条件：多级直线加速器应具备的条件：筒间加速筒间加速筒内静电屏蔽筒内静电屏蔽利用电场加速电场加速电场加速电场加速带电粒子；通过多级加速多级加速多级加速多级加速获得高能粒子；将加速电场以外的区域静电屏蔽静电屏蔽静电屏蔽静电屏蔽；采用交变电源交变电源交变电源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同步条件同步条件同步条件第13页，本讲稿共34页斯斯坦坦福福大大学学的的加加速速器器 直线加速器占地太大，能不能让它小一点直线加速器占地太大，能不能让它小一点第14页，本讲稿共34页1932年年,美国物理学家劳仑斯发明了美国物理学家劳
6、仑斯发明了回旋加速器回旋加速器，从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面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迈进了一大步为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖物理学奖三、回旋加速器三、回旋加速器第15页，本讲稿共34页第16页，本讲稿共34页1、结构、结构：两个两个两个两个D D形盒及两个大磁极形盒及两个大磁极形盒及两个大磁极形盒及两个大磁极 D D形盒间的窄缝形盒间的窄缝形盒间的窄缝形盒间的窄缝 高频交流电高频交流电高频交流电高频交流电三、回旋加速器三、回旋加速器第17页，本讲稿共34页2、原理、原理交变电压：保证带电粒子每次经交变电压：保证带电粒子每次经过窄缝
7、时都被加速。过窄缝时都被加速。用磁场控制轨道、用电场进行加速用磁场控制轨道、用电场进行加速第18页，本讲稿共34页问题问题1：粒子被加速后，运动速率和运动半径粒子被加速后，运动速率和运动半径都会增加，它的运动都会增加，它的运动周期会增加吗周期会增加吗?第19页，本讲稿共34页问题问题2：在回旋加速器中，如果两个在回旋加速器中，如果两个D型盒不是型盒不是分别接在分别接在高频交流电源高频交流电源的两极上，而是接在的两极上，而是接在直直流流的两极上，那么带电粒子能否被加速？请的两极上，那么带电粒子能否被加速？请在图中画出粒子的运动轨迹。在图中画出粒子的运动轨迹。?第20页，本讲稿共34页 问题问题3
8、：要使粒子每次经过电场都被加速，应要使粒子每次经过电场都被加速，应在电极上加一个在电极上加一个 电压。电压。交变交变交变电压的周期交变电压的周期T TE=粒子在磁场中运动的周期粒子在磁场中运动的周期TB B根据下图，说一说为使带电粒子不断得到加速，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？提供的电压应符合怎样的要求？第21页，本讲稿共34页第22页，本讲稿共34页 问题问题4：回旋加速器加速的带电粒子的最回旋加速器加速的带电粒子的最终能量由哪些因素决定终能量由哪些因素决定?观点观点1：认为：认为电场是用来加速的电场是用来加速的，磁场是用来回旋的磁场是用来回旋的，最终
9、的能量应与磁场无关。应与电场有关，加速最终的能量应与磁场无关。应与电场有关，加速电电压越高，粒子最终能量越高。压越高，粒子最终能量越高。对吗？对吗？对吗？对吗？观点观点2：运动半径最大运动半径最大Rm=mVm/qB,得得 Vm=qBRm/m 半径最大时，速度也应最大。半径最大时，速度也应最大。带电粒子的运动带电粒子的运动最大半径等于最大半径等于D形盒的半径形盒的半径时时，粒子的速度达到最大。，粒子的速度达到最大。对吗？对吗？第23页，本讲稿共34页问题问题5：已知已知D形盒的直径为形盒的直径为D，匀强磁场的磁，匀强磁场的磁感应强度为感应强度为B，交变电压的电压为，交变电压的电压为U，求：从出口
10、射出时，粒子的速度求：从出口射出时，粒子的速度v=?DDV=V=？U UB B解：解：解：解：当粒子从当粒子从当粒子从当粒子从DD形盒出口飞出时，形盒出口飞出时，形盒出口飞出时，形盒出口飞出时，粒子的运动半径粒子的运动半径粒子的运动半径粒子的运动半径=D=D=D=D形盒的半径形盒的半径形盒的半径形盒的半径第24页，本讲稿共34页问题问题6 6：已知已知D形盒的直径为形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应强，匀强磁场的磁感应强度为度为B，交变电压的电压为，交变电压的电压为U，求求:(1)从出口射出时，粒子的动能从出口射出时，粒子的动能Ek=?(2)要增大粒子的最大动能可采取哪些措施要增大粒子的最大动能
11、可采取哪些措施?DDV=V=？U UB B第25页，本讲稿共34页问题问题7：D越大，越大，EK越大，是不是只要越大，是不是只要D不断增大，不断增大，EK 就可以无限制增大呢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，最高能量只能达到来加速粒子，最高能量只能达到20MeV这是因这是因为为当粒子的速率大到接近光速时，按照相对论原理，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粒子的质量将随速率增大而明显地增加，从而使，从而使粒粒子的回旋周期也随之变化子的回旋周期也随之变化，这就破坏了加速器的同步
12、，这就破坏了加速器的同步条件条件第26页，本讲稿共34页为了获得更高能量的带电粒子，人们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世界上最大的加速器已能使质子达到10000亿亿eV(106MeV)以上的能量以上的能量第27页，本讲稿共34页美国美国费米实验室加速器费米实
13、验室加速器第28页，本讲稿共34页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速到v，质子所能获得的能量为，质子所能获得的能量为E，则：，则：这一回旋加速器能把这一回旋加速器能把粒子加速到多大的速度？粒子加速到多大的速度？这一回旋加速器能把这一回旋加速器能把粒子加速到多大的能量？粒子加速到多大的能量？这一回旋加速器加速这一回旋加速器加速粒子的磁感应强度跟加速粒子的磁感应强度跟加速质子的磁感应强度之比为？质子的磁感应强度之比为？=v 4E 21 第29页，本讲稿共34页限时训练：限时训练：1、如图示，以质量为、如图示，以质
14、量为m带正电小球，由某一高度处带正电小球，由某一高度处自由下落一复合场区域内（自由下落一复合场区域内（B、E方向如图示）。，则方向如图示）。，则下列说法正确的是（下列说法正确的是（）A、可能是直线运动。、可能是直线运动。B、一定是匀速直线运动、一定是匀速直线运动C、一定是曲线运动。、一定是曲线运动。D、可能是匀加速直线运动。、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。设血管直径装电极并加有磁场。设血管直径2.0mm，磁场的磁感应强度为，磁场的磁感应强度为0.080
15、T，电压表测出，电压表测出的电压为的电压为0.10mV，求：，求：血流速度大小血流速度大小 约为约为_m/s。0.625NSVv电极电极C第30页，本讲稿共34页IBdh5、霍尔效应、霍尔效应霍尔效应这一现象是霍尔效应这一现象是美国美国物理学家霍尔物理学家霍尔（A.H.Hall，18551938）于）于1879年在研年在研究金属的导电机构时发现的。当究金属的导电机构时发现的。当电流电流垂直垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁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场和电流方向的两个端面之间会出现电势电势差差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差，这一现象便是霍尔效应
16、。这个电势差也被叫做霍尔电势差。也被叫做霍尔电势差。第31页，本讲稿共34页练习（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：第32页，本讲稿共34页（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导学P98页第页第21题题第33页，本讲稿共34页IBdh霍尔效应霍尔效应I=neSv=nedhveU/h=evBU=IB/ned=kIB/dk是霍尔系数是霍尔系数第34页，本讲稿共34页