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研读几个与磁场相关的应用实例 电磁场部分内容在高中物理中占有重要地位，而带电粒子在磁场、电场中的运动问题往往是令学生感到非常头疼的问题，其中又以几种科研仪器原理为甚。本文就新人教版教材中选修3-1第三章第6节内容，结合带电粒子在复合场中的运动知识，对高考中出现过的内容进行总结，并重点谈一谈各种仪器原理及带电粒子在其中的运动规律。 一、速度选择器 如图所示，平行板器件中，电场强度e和磁感应强度b相互垂直，具有不同水平速度的带电粒子射入后发生偏转的情况不同。这种装置能把具有某一特定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器。 其原理：1、粒子受力特点：同时受方向相反的电场力和磁场力作用。2、粒子匀速通过速度选择器的条件：电场力和洛伦兹力平衡：qe=qvb，即速度大小只有满足v=e/b的粒子才能沿直线匀速通过。 对于速度选择器需注意：1、速度选择器两极板间距离极小，粒子稍有偏转，即打到极板上；2、速度选择器对正、负电荷均适用；3、速度选择器中的e、b的方向具有确定的关系，仅改变其中一个方向，就不能对速度做出选择；4、速度选择器只选择速度，不选择电量和质量。 二、质谱仪 质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。质谱仪的工作原理：如下图所示，设进入加速电场的带电粒子带电量为＋q、质量为m，电场两板间电压为u、粒子出电场后垂直进入磁感应强度为b的匀强磁场。在加速电场中，由动能定理得 ，粒子离开电场时速度 ， 在匀强磁场中轨道半径 ，所以粒子质量 。 根据带电粒子在磁场中做圆周运动的半径大小就可以判断带电粒子质量的大小。 说明：①如果测出半径且已知电荷量，就可求出带电粒子的质量 ；②如果测出半径而粒子电荷量q未知，通过质谱仪可求出粒子的荷质比（比荷） 。 三、回旋加速器 回旋加速器的工作原理如下图所示。放在a0处的粒子源发出一个带正电的粒子，它以某一速率v0垂直进入匀强磁场中，在磁场中做匀速圆周运动，经过半个周期，当它沿着半圆弧a0a1到达a1时，我们在a1a1’处设置一个向上的电场，使这个带电粒子在a1a1’处受到一次电场的加速，速率由v0增加到v1，然后粒子以速率v1，在磁场中做匀速圆周运动。我们知道，粒子的轨道半径跟它的速率成正比，因而粒子将沿着半径增大了圆周运动。又经过半个周期，当它沿着半圆弧a1’a2’到达a2’时，我们在a1’a2处设置一个向下的电场，使粒子又一次受到电场的加速，速率增加到v2。如此继续下去，每当粒子运动到a1a1’、a3a3’等处时都使它受到一个向上电场的加速，每当粒子运动到a2’a2、a4’a4等处时都使它受到一个向下电场的加速，那么，粒子将沿着图示的螺线a0a1a1’a2’a2……回旋下去，速率将一步一步地增大。 这里需要说明的是回旋加速器是利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子的，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个d型盒和其间的窄缝完成。 1.回旋加速器的旋转周期。在直线aa、a’a’处加一个交变电场，使它变化周期相同于带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期 ，就可以保证粒子每经过直线aa和a’a’时都正好赶上适合电场方向而被加速。 说明：①使带电粒子在回旋加速器的金属盒中运动，是利用了金属盒的静电屏蔽作用，不受外界电场干扰。带电粒子在金属盒内只受洛伦兹力作用而做匀速圆周运动。这样，粒子在装置内沿螺旋轨道逐渐趋于金属盒的边缘，达到预期能量后，用特殊装置把它们引出。②带电粒子在电场中的加速时间可忽略不计。③当带电粒子的能量达到一定值后，其速度和光速就比较接近了，据狭义相对论原理，粒子的质量随速度的增大而增大的现实已不容忽略。因此，粒子在磁场中回旋一周所需的时间就变大了，导致电场变化频率与粒子运动的频率不同步，破坏了加速器的工作条件，使进一步提高粒子速度成为不可能。 2.带电粒子的最终能量。当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由牛顿第二定律 得 ，若d形盒的半径r，则r=r，即可求得带电粒子的最终动能。 四、磁流体发电机 如下图表示磁流体发电机的发电原理：将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量正电荷和负电荷的微粒，而从整体来说呈电中性），喷人磁场中，磁场中有两块金属板a、b，根据左手定则，带正电的微粒受到向下的洛伦兹力作用而向下偏转，到达b板后使b板带正电。带负电的微粒受到向上的洛伦兹力作用而向上偏转，到达a板后使a板带负电。随着b、a两板分别聚集正、负电荷，将在b、a之间产生电势差，b板电势高，a板电势低，形成由b指向a的电场，这样电路中就有由b板流经外电路流向a板的电流，a、b板的空间相当于“电源”的内电路，内电路的电流方向由a到b。稳定时有qvb=eq，即可求得ab板间电场强度，并且进一步计算出两板之间电势