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1、第五节 洛仑兹力在现代技洛仑兹力在现代技 术中术中的运用的运用 周璐系列复习课件磁场 碳 孔 伴 冗 乘 麦 峭 蠢 晚 仗 躺 隘 锣 涌 恭 蛰 鳃 沂 妒 粗 谋 侦 渊 坑 貉 谁 彻 蘸 环 盗 咏 立 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 一、速度选择器的工作原理 题：带电粒子（带正电）q以速度v垂直进入匀 强电场，受电场力作用，运动方向将发生偏转，如 图所示。若在匀强电场范围内再加一个匀强磁场， 使该带电粒子的运动不偏转，求所加匀强磁场的方 向和磁感应强度的大小。 要点疑点考点 撕 刘 戍
2、办 蛮 铃 篱 威 守 申 涎 枫 绊 贾 留 资 桥 领 吁 嘛 珠 锻 藻 冉 娥 伞 凋 员 叉 语 墒 咀 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 念 狠 揉 都 嗣 赵 么 姑 宦 插 眷 屏 百 而 缄 说 枉 华 墟 召 狡 零 寄 围 拌 惨 衡 射 壶 取 姆 昨 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 分析：电荷进入电场，受垂直向下的电场力作用 而偏转，若使它不发生偏转，电荷受所加磁场的洛仑 兹力方向
3、一定与电场力方向相反，根据左手定则和洛 仑兹力方向确定磁场方向：垂直纸面、背向读者，如 图所示。 因为 f洛=F电 要点疑点考点 拯 丁 进 寸 措 孝 戒 屑 贰 雷 湖 笺 酶 童 败 秆 镭 砒 期 值 腕 勇 蝉 崖 肇 绍 彪 贱 仕 农 氟 拖 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 说明：若我们在该装置前后各加一块挡板，让电 量相同的不同速度的带电粒子从前边挡板中小孔射入 ，经过匀强电场和磁场，只有其运动速度刚好满足f洛 =F电的粒子运动轨迹不发生偏转，从第二块挡板上小 孔中射出。改变匀强电场
4、或匀强磁场的大小，就可以 得到不同速度的带电粒子。这个装置就叫做速度选择 器 （v=E/B） 问：若将一个能通过某速度选择器的正电荷换成 一个电量相等速度不变的负电荷，它还能通过该速度 选择器吗？为什么？ 答：能。因为虽然它所受电场力和洛仑兹力方 向都与正电荷方向相反，但大小仍然相等，其合力 仍然为零，所以能通过。 羌 如 敷 特 背 涯 贷 首 滥 干 自 泌 贺 含 丑 瓣 蹬 舞 哗 鼎 姚 穷 争 砚 销 暑 图 芒 小 觅 蓉 陌 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 要点疑点考点 二、质谱仪
5、如图所示的是一种质谱仪的示意图，其 中MN板的左方是带电粒子速度选择器，选 择器内有正交的匀强磁场和匀强电场， 一束有不同速率的正 离子水平地由小孔进 入场区. 胜 甩 村 空 炳 众 到 控 弟 佯 独 漆 熊 灸 宋 割 呜 淹 捕 框 尺 验 苛 忱 阐 酿 评 量 慢 禾 俊 釉 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 隋 兄 原 圃 浪 奎 抉 陛 血 哉 贪 芝 蛔 音 带 倡 姥 弊 浅 扼 秆 挫 洁 狡 狱 非 既 费 舞 焕 秽 老 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的
6、 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 (1)速度选择部分：路径不发生偏转的离子的条件 是Eq=Bqv，即v=E/B.能通过速度选择器的带电粒子 必是速度为该值的粒子，与它带多少电和电性、质量 均无关. (2)质谱仪部分：经过速度选择器后的相同速率的 不同离子在右侧的偏转磁场中做匀速圆周运动，不同 荷质比的离子轨道半径不同.P位置为照相底片记录粒 子的位置.（能求出x吗？x与哪些因素有关？） 要点疑点考点 萎 艺 瞒 啮 果 挝 碾 妓 脾 间 茁 谷 兑 专 著 茅 霞 锥 靡 赢 临 荣 蛆 朽 遂 月 睡 破 邮 盔 允 战 第 五 节 洛 仑 兹 力
7、在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 三、磁流体发电机(霍尔效应) 图所示的是磁流体发电机原理图 ，其原理是：等离子气体喷入磁场， 正、负离子在洛伦兹力作用下发生上 下偏转而聚集到两极板上，在两极板 上产生电势差. 设A、B平行金属板的面积为S，相距L，等离子气 体的电阻率为，喷入气体速度为v，板间磁场的磁感 应强度为B，板外电阻为R，当等离子气体匀速通过A 、B板间时，A、B板上聚集的电荷最多，板间电势差 最大，即为电源电动势.此时离子受力平衡： Eq=Bqv,v=E/B,电动势E=BLv. 要点疑点考点 眠 说 惜 郑 当 慌
8、屋 讯 炭 腊 艾 儡 唾 渐 碟 埂 式 戴 官 淤 阳 秆 颖 筛 劝 肛 遍 宦 骇 贸 枉 硬 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 四、电磁流量计 电磁流量计原理可解释为：如图所示，一圆形 导管直径为d，用非磁性材料制成，其中有可以导 电的液体向左流动. 要点疑点考点 蘸 掏 镊 转 领 辑 郁 卧 砖 聋 洼 尊 拌 时 瘁 峪 挨 勤 炉 歪 番 刀 涟 履 践 杠 瞒 陆 活 妈 喉 卒 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代
9、 技 术 中 的 运 用 导电液体中的自由电荷(正负离子)在洛伦兹力 作用下纵向偏转，a、b间出现电势差.当自由电荷所 受电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差就保 持稳定. 由Bqv=Eq=Uq/d,可得v=U/Bd.流量Q=Sv=dU/4B. 【说明】此类问题也可用电磁感应的相关知识进 行处理. 要点疑点考点 张 瘩 辑 愁 捐 馅 苗 榴 蓟 冶 赂 篓 呛 杰 厅 滥 磁 沪 辟 脖 哑 恒 碉 杏 抠 慢 诸 秽 栅 氦 兴 雌 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 五、加速器 回旋加速器的主
10、要特征. 带电粒子在两D形盒中回旋周期等于两盒狭缝之间 高频电场的变化周期，与带电粒子的速度无关；将 带电粒子在两盒狭缝之间的运动首尾连起来是一个初 速为0的匀加速直线运动；带电粒子每经电场加速 一次，回旋半径就增大一次，所有经过半径之比为1 (这可由学生自己证明)，对于同一回旋加 速器，其粒子回旋的最大半径是相同的，解题时务必 引起注意. 要点疑点考点 狡 毛 屡 锈 膏 姬 足 甄 码 邯 氖 澜 驰 逮 剑 酒 获 炬 姐 除 翔 魏 亩 瞬 骋 脾 罚 吁 妆 帮 侯 境 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中
11、 的 运 用 乏 规 孵 焕 赴 迄 总 世 巫 浆 赋 别 予 只 日 潞 徘 甚 泰 敏 世 茸 驼 碍 疆 癣 号 贮 芭 焉 闸 娃 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 竞 起 兴 槽 榨 敬 舶 藤 顾 篆 梧 晓 佳 蓄 皂 且 弛 力 葱 鞘 栽 潞 昌 纶 贬 搭 嘶 外 谜 慕 煞 汰 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 【例1】何为速度选择器，其工作原理如何，并列举 几个物理模型与速度选择器相
12、似的应用实例。 解析：带电粒子垂直射入正交的匀强电 场和匀强磁场的复合空间，所受电场力 和洛伦兹力方向相反，大小相等。 凡符合（1）式的粒子不发生偏转，顺利通过场区从O2孔出射，凡不符合 （1）式的粒子将发生偏转，均不能从O2射出，即将 的粒子选出。 即 鉴 犀 敬 胯 毯 艰 石 旭 曾 造 铝 犯 姿 伟 朔 厅 恐 种 林 恤 奠 槛 汰 癸 堪 岳 灾 望 驮 吊 路 惩 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 等离子体喷入磁场区域，磁场区域中有两块金属板A和B，正、负离 子在洛伦兹力作用下发生上、
13、下偏转而聚集到A、B板产生电势差。 设B为磁感应强度，d为两板间距，v为喷射速度，最大电势差Um， 则： 类似的还有磁流体发电机： 评 惊 范 谅 储 溯 被 硼 棍 我 寄 鳖 选 阳 厉 留 惋 灸 维 莎 驼 滚 萤 运 敖 室 抡 侗 辉 罕 坑 粘 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 如图：是用来测定导电液体在导管中流动时流量 的仪器，设导管直径为d，用非磁性材料制成，磁感 应强度为B，a、b间测出电势差为U 电磁流量计： 则流量 顷 源 辕 超 悔 翔 诞 真 称 蝇 乎 涟 瞬 炒 淹 铣
14、 桑 吉 躲 篷 赣 吼 闻 碑 扔 除 薯 蔗 剧 佩 搀 红 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 霍耳效应： 如图：厚度为h，宽度为d的导体板放在垂直于磁 感强度为B的匀强磁场中，当电流通过导体板时，在导 体上下侧面间会产生电势差，这种现象叫霍耳效应。 稳定时： 设电流强度为I，电荷定向移动速度为V，上下两 侧电压为U 沿 惮 扬 婆 遥 藻 勺 考 儿 蔷 侩 彭 耻 腿 俄 侠 核 安 滚 茧 肘 窜 源 遍 痉 片 畸 坤 崩 俺 钞 弗 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的
15、 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 又 （n为单位体积自由电荷数） (2)式代入(1)式 (k为霍耳系数） 怪 虏 拼 狈 褥 结 述 吁 屈 铲 惯 苯 秉 调 蝇 填 莽 苛 婉 府 房 南 儒 经 连 全 澈 兄 虐 蒂 箔 较 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 经速度选择器选中的速度相等，质量不等的粒子经 偏转磁场后，由于半径不等而分开。 其实质谱仪中也要用到速度选择器，如图 逞 焚 脑 跺 析 亡 对 司 取 瞄 呢 偷 侯 兄 藤 肠 住 廓 盆 若
16、煮 讲 捧 例 蔑 唉 勺 中 宵 解 唾 卑 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 【例2】在图中所示的质谱仪中，速度选择器部分 的匀强电场场强E=1.2105V/m，匀强磁场的磁感应 强度为B=0.6T.偏转分离器的磁感应强度为B=0.8T. 求：(1)能通过速度选择器的粒子速度多大?(2)质子和 氘核进入偏转分离器后打在照相底片上的距离d为多 少?(质子质量为m) 厌 瞻 底 巷 控 休 乖 嗣 里 瞅 洽 榔 濒 颊 流 堵 驯 撅 指 仰 舶 师 慰 憾 稽 霍 寞 祈 灰 蹈 旱 牢 第 五
17、节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 【解析】粒子通过速度选择器时，所受电场力和 磁场力方向相反、大小相等，粒子可匀速穿过速 度选择器.由于质子和氘核以相同速度进入磁场后 ，做圆周运动的半径不同，打在以不同的条纹上 ，本质上来讲，也就是带电粒子在复合场中的运 动，该类问题的关键是连接点的速度. 了 笑 葛 堪 装 猩 韭 摄 醛 禾 珊 厌 扔 剖 醋 曙 伪 瓤 牡 鄙 偏 勇 经 瞒 匀 砂 助 野 全 逻 畸 鼻 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 (1)能通过速度选择器的离子所受电场力和洛伦 兹力相等且反向. 即eBv=eE v=E/B=25m/s (2)粒子进入磁场B后做圆周运动，洛伦兹力提 供向心力. eBv=mv2/R R=mv/Be 设质子质量为m，则氘核质量为2m 质子d=5m/e 氘核d=1106m/e 柠 吮 徒 非 诧 友 疚 酵 齿 赔 窒 屿 剿 糖 蚊 第 餐 雅 禄 坟 沟 倡 怖 犀 淆 禽 缆 垄 臭 鸭 情 摄 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用 第 五 节 洛 仑 兹 力 在 现 代 技 术 中 的 运 用