洛伦兹力的应用高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第二册.pptxVIP

第一章安培力与洛伦兹力

第3节洛伦兹力的应用

洛伦兹力有很多应用，在生产生活和科学研究中是怎样应用洛伦兹力的呢？本节我们以显像管、质谱仪和回旋加速器为例，介绍洛伦兹力的应用。

1.知道显像管的构造和原理。

2.知道质谱仪的构造、原理以及用途。

3.知道回旋加速器的构造、原理以及用途。

洛伦兹力的方向与粒子的运动速度方向垂直，当粒子在磁场中运动时，

因受到洛伦兹力的作用，就会发生偏转。显像管电视机就应用了电子束

磁偏转的原理。

1.显像管的构造

如图所示，由电子枪、偏转线圈和荧光屏组成。

2.显像管的工作原理

（1）电子枪发射电子。

（2）偏转线圈产生磁场。

（3）电子束在偏转线圈产生的磁场中偏转。

（4）荧光屏被电子束撞击发光。

3.扫描

在偏转区的水平方向和竖直方向都有偏转磁场，其方向、强弱都在不断变化，使得电子束打在荧光屏上的光点从上向下、从左向右不断移动。如图所示。

电子束从最上一行到最下一行扫描一遍叫作一场，电视机中的显像管每秒要进行50场扫描，所以我们感到整个荧光屏都在发光。

利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？

1.质谱仪：是一种测定带电粒子的质量及分析同位素的重要工具。

2.结构及作用：

①离子源：产生带电粒子

②加速电场：使带电粒子获得速度

③偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离

④照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径

加速电场

照相底片

偏转磁场

离子源

3.原理：

①在电场中加速

②在偏转磁场中，洛伦兹力提供向心力

联立两个式子得：

③在偏转磁场中，偏转的距离为x

x=2r

④由上式可得粒子的质量和比荷

⑤由上式可知同位素电荷量相同，但质量有微小差别。那x就会不同，也就是说在照相底片上会打到不同的位置，从而在底片上出现一系列的分立的亮线，这就称为质谱线或谱线。

在图所示的多级加速器中，各加速区的两板之间用独立电源供电，所以粒子从P2飞向P3、从P4飞向P5……时不会减速。由于粒子在加速过程中的径迹为直线，要得到较高动能的粒子，其加速装置要很长。

要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进行“观察”。然而，原子核被强大的核力约束，只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才能把它“打开”。产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器

直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。

北京正负电子对撞机改造后的直线加速器为建设科技强国加速

人们进一步思考:如果带电粒子在一次加速后又转回来被第二次加速，如此往复“转圈圈”式地被加速，加速器装置所占的空间不是会大大缩小吗？而磁场正好能使带电粒“转圈圈”！于是，人们依据这个思路设计出了用磁场控制轨道、用电场进行加速的回旋加速器。

1.回旋加速器的工作原理

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，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个D形盒和其间的窄缝内完成。

（1）磁场的作用

带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期与速率、半径均无关（），带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场中加速。

（2）电场的作用

回旋加速器两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速。

（3）交变电场的作用及变化周期

为保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，需在窄缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同（）的交变电压。

（4）带电粒子的轨迹特点

粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期不变。

（5）因为两个D形盒之间的窄缝很小，所以带电粒子在电场中的加速时间可以忽略不计。

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

半径公式

得

若D形盒半径为R，

则带电粒子的最终动能

可见，带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关，只与磁感应强度B和D形盒半径R有关。

这个过程看似可以一直进行下去，但实际上由于相对论的效应，粒子的质量会随着速度增，圆周运动的周期也增加，从而粒子通过缝间时，电场力并不总是做正功，带电粒子并不总是处于加速状态。因此，通过回旋加速器加速粒子得到的速度是有一定限度的。

例题：用电源频率为f的回旋加速器对电荷量为q、质量为m的氦核加速，使氦核的能量达到Ek。这个回旋加速器的半径r为多大？