著名机构高二物理秋季班讲义第11讲电磁与现代科技
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1、 第11讲 电磁与现代科技11.1速度选择器知识点睛1用途:选择某种速度的带电粒子。 2构造:正交的磁场与电场。3原理:如图所示,带正电的粒子(忽略重力)水平射入正交的匀强电场和匀强磁场中,粒子受到的电场力方向向下,受到的洛伦兹力方向向上。当时,粒子受力平衡,将做匀速直线运动。此时有,即。要是带负电的粒子从左边射入正交场区域,能沿直线运动吗?要是粒子从右边入射呢?例题精讲速度选择器【例1】图中虚线所围的区域内,存在电场强度为的匀强电场和磁感应强度为的匀强磁场。已知从左方水平射入的电子,穿过这个区域时未发生偏转,不考虑重力,则在这个区域中的和的方向可能是A和都沿水平方向,并与电子运动的方向相同B
2、和都沿水平方向,并与电子运动的方向相反C竖直向上,垂直于纸面向外D竖直向上,垂直于纸面向里【答案】 ABC【例2】如图所示,从处发出的电子经加速电压加速后垂直进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场中,发现电子流向上极板偏转。设两极板间电场强度为,磁感应强度为。如果要使电子沿直线从电场和磁场区域通过,分别采取了以下措施,则其中可行的是A适当减小电场强度 B适当减小磁感应强度C适当增大加速电场的宽度 D适当减小加速电压【答案】 A*老师可以再练一道题1图中为一“滤速器”装置示意图。为水平放置的平行金属板,一束具有各种不同速率的电子沿水平方向经小孔进入两板之间。为了选取具有某种特定速率的电子,可在间加上电
3、压,并沿垂直于纸面的方向加一匀强磁场,使所选电子仍能够沿水平直线运动,由射出。不计重力作用。可能达到上述目的的办法是A使板电势高于板,磁场方向垂直纸面向里B使板电势低于板,磁场方向垂直纸面向里C使板电势高于板,磁场方向垂直纸面向外D使板电势低于板,磁场方向垂直纸面向外【答案】 AD*【例3】如图所示,、是一对平行的金属板,分别接到直流电源的两极上,右边有一挡板,正中间开有一个小孔。在较大的空间范围内存在着匀强磁场,磁感应强度大小为,方向垂直于纸面向里。从两板左侧正中点沿极板方向射入一束正离子(不计重力),这些正离子都沿直线运动到右侧,从小孔射出后分成三束,则这些正离子A速度大小一定都相等B质量
4、一定有三种不同的数值C电荷量一定有三种不同的数值D比荷一定有三种不同的数值【解析】 由得,所以粒子速度都相等。由得,粒子肯定有3种不同的比荷。【答案】 AD11.2质谱仪知识点睛1用途:求带电粒子的荷质比,以及分离和检测不同同位素。 2构造:质谱仪由静电加速器、偏转分离器等组成。3原理:如图所示,粒子源可产生质量为、电荷量为的正粒子(不计重力),经过电压为 的电场加速后(粒子初速度为)进入磁感应强度为的匀强磁场中做匀速圆周运动,经过半个周期到达底片上,测得它在上的位置到入口处的距离为。,解得。而所以不同质量的同位素可得到分离。例题精讲质谱仪【例4】质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要
5、工具,它的构造原理如图所示。离子源产生的各种不同正离子束(速度可看作为零) ,经加速电场(加速电场极板间的距离为、电势差为)加速,然后垂直进入磁感应强度为的有界匀强磁场中做匀速圆周运动,最后到达记录它的照相底片上。设离子在上的位置与入口处之间的距离为。1 求该离子的比荷。 若离子源产生的是带电量为、质量为和的同位素离子(),它们分别到达照相底片上的位置(图中未画出),求间的距离。 若第小题中两同位素离子同时进入偏转磁场,求它们到达照相底片上的时间差(磁场边界与靠近磁场边界的极板间的距离忽略不计)。【答案】 *暑假讲义只涉及前两个问,第三问较难,老师可以选讲2利用电场和磁场,可以将比荷不同的离子
6、分开,这种方法在化学分析和原子核技术等领域有重要的应用。如图所示的矩形区域(边足够长)中存在垂直于纸面的匀强磁场,处有一狭缝。离子源产生的离子,经静电场加速后穿过狭缝沿垂直于边且垂直于磁场的方向射入磁场,运动到边被相应的收集器收集,整个装置内部为真空。已知被加速的两种正离子的质量分别是和(),电荷量均为,加速电场的电势差为,离子进入电场时的初速度可以忽略。不计重力,也不考虑离子间的相互作用。 求质量为的离子进入磁场时的速率; 当磁感应强度的大小为时,求两种离子在边落点的间距; 在前面的讨论中忽略了狭缝宽度的影响,实际装置中狭缝具有一定宽度。若狭缝过宽,可能使两束离子在边上的落点区域交叠,导致两
7、种离子无法完全分离。设磁感应强度大小可调,边长为定值,狭缝宽度为,狭缝右边缘在处。离子可以从狭缝各处射入磁场,入射方向仍垂直于边且垂直于磁场。为保证上述两种离子能落在边上并被完全分离,求狭缝的最大宽度。【解析】 离子在电场中加速,由动能定理得,解得。 离子在磁场中运动时,洛仑兹力提供向心力。由,解得。两种离子在磁场中运动的半径分别为,。所以。 为保证两种离子能分离,条件为;要保证两种离子落在边上,则。联立可得,整理得到。所以狭缝的最大宽度。【答案】 ; ; *11.3回旋加速器知识点睛1用途:给带电粒子加速 2构造:回旋加速器的核心部分是放置在磁场中的两个形的金属扁盒,其基本组成为:粒子源,两
8、个形金属盒,匀强磁场,高频电源,粒子引出装置,真空容器3原理:带电粒子在匀强磁场中做圆周运动,其周期,跟运动速率和轨道半径无关。因此,尽管粒子的速率和半径一次比一次大,但运动周期却始终不变。这样,如果在两个形盒间的区域加上一个交变电场,使它变化的周期与粒子圆周运动的周期相同,就可以使粒子每经过这个区域时都能被加速。由知,被加速粒子射出回旋加速器时的动能。如果不考虑粒子通过狭缝的时间,那么我们就用总圈数乘以周期来求时间;如果考虑狭缝的时间,我们就用匀变速直线运动的规律求狭缝的时间。再结合上面的情况求出总时间。例题精讲回旋加速器【例5】回旋加速器装置,其核心部分是分别与高频交流电极相连接的两个形金
9、属盒,两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场,使粒子在通过狭缝时都能得到加速,两形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中,如图所示,要增大带电粒子射出时的动能,则下列说法中正确的是A增大磁场的磁感应强度 B增大匀强电场间的加速电压C增大形金属盒的半径 D减小狭缝间的距离【答案】 AC【例6】1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器,巧妙地利用带电粒子在磁场中的运动特点,解决了粒子的加速问题。现在回旋加速器被广泛应用于科学研究和医学设备中。某型号的回旋加速器的工作原理如图甲所示,图乙为俯视图。回旋加速器的核心部分为D形盒,D形盒装在真空容器中,整个装置放在巨大的电磁铁两极之间的强大磁场中,磁场可以认
10、为是匀强磁场,且与D形盒盒面垂直。两盒间狭缝很小,带电粒子穿过的时间可以忽略不计。D形盒半径为,磁场的磁感应强度为。设质子从粒子源处进入加速电场的初速度不计。质子质量为、电荷量为。加速器接一定频率高频交流电源,其电压为。加速过程中不考虑重力作用。 求质子第1次经过狭缝被加速后进入D形盒运动轨道的半径; 求质子从静止开始加速到出口处所需的时间; 如果狭缝的宽度不能忽略,我们用表示,那么质子从静止开始加速到出口处所需的时间。 如果使用这台回旋加速器加速粒子,需要进行怎样的改动?请写出必要的分析及推理。【解析】 设质子第1次经过狭缝被加速后的速度为 联立解得: 设质子从静止开始加速到出口处被加速了圈
11、,质子在出口处的速度为 联立解得 , 联立得: 回旋加速器正常工作时高频电压的频率必须与粒子回旋的频率相同。设高频电压的频率为,则 当加速粒子时,粒子的比荷为质子比荷的倍,所以不能直接使用。 改动方法一:让磁场的磁感应强度加倍。改动方法二:让加速高频电压的频率减半。【答案】 让磁场的磁感应强度加倍,或让加速高频电压的频率减半。*下面两道题老师可以选讲,其中第1题为海淀二模题,老师可以根据班级情况选择讲。ABD1D2接交流电源3如图所示,为回旋加速器的示意图。它由两个铝制型金属扁盒组成,两个形盒正中间开有一条狭缝;两个型盒处在匀强磁场中并接在高频交变电源上。在盒中心处有离子源,它产生并发出的正离
12、子,经狭缝电压加速后,进入盒中。在磁场力的作用下运动半个圆周后,垂直通过狭缝,再经狭缝电压加速;为保证粒子每次经过狭缝都被加速,设法使交变电压的周期与粒子在狭缝及磁场中运动的周期一致。如此周而复始,速度越来越大,运动半径也越来越大,最后到达型盒的边缘,以最大速度被导出。已知正离子是粒子,其电荷量为,质量为,加速时电极间电压大小恒为,磁场的磁感应强度为,型盒的半径为,设狭缝很窄,粒子通过狭缝的时间可以忽略不计,设正离子从离子源发出时的初速度为零。(不计粒子重力)求: 粒子第一次被加速后进入盒中时的速度大小; 粒子被加速后获得的最大动能和交变电压的频率; 粒子在第次由盒进入盒与紧接着第次由盒进入盒
13、位置之间的距离。【解析】 设粒子第一次被加速后进入D2盒中时的速度大小为v1,根据动能定理有 粒子在D形盒内做圆周运动,轨道半径达到最大时被引出,具有最大动能。设此时的速度为v,有 解得: 设粒子的最大动能为,则 解得: 设交变电压的周期为、频率为,为保证粒子每次经过狭缝都被加速,带电粒子在磁场中运动一周的时间应等于交变电压的周期(在狭缝的时间极短忽略不计),则 , 解得 离子经电场第1次加速后,以速度进入盒,设轨道半径为 离子经第2次电场加速后,以速度进入盒,设轨道半径为轨道半径: 离子第次由盒进入盒,离子已经过次电场加速,以速度进入盒,由动能定理:轨道半径: 离子经第次由盒进入盒,离子已经
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