1、物理学物理学第五版第五版物理学物理学第五版第五版7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动下页下页首页首页目录目录上页上页结束放映结束放映物理学物理学第五版第五版物理学物理学第五版第五版7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动下页下页首页首页目录目录上页上页一一 带电粒子在电场和磁场中所受的力带电粒子在电场和磁场中所受的力电场力电场力EqFe磁场力磁场力（洛伦兹力）（洛伦兹力）BqF vmBqEqFv运动电荷在电场运动电荷在电场和磁场中受的力和磁场中受的力物理学物理学第五版第五版物理学物理学第五版第五版7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在
2、电场和磁场中的运动下页下页首页首页目录目录上页上页二二、带电粒子带电粒子在磁场中的运动在磁场中的运动 BBvqf 平行或反平行与Bv)1(0 fcv粒子做匀速直线运动粒子做匀速直线运动maF dtvdmBvqF那么那么:物理学物理学第五版第五版物理学物理学第五版第五版7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动下页下页首页首页目录目录上页上页垂直垂直与与Bv)2(qvBf 粒子做匀速圆周运动粒子做匀速圆周运动 RvmqvB2 qBmvR qBmvRT 22 BfvqBvqf 物理学物理学第五版第五版物理学物理学第五版第五版7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和
3、磁场中的运动下页下页首页首页目录目录上页上页角角成成与与 Bv)3(/vvvB R/vv vB cos/vv sinvv qBmvR qBmv sin qBmvRT 22 此时，带电粒子在均匀磁场中此时，带电粒子在均匀磁场中作作等螺距的螺旋运动等螺距的螺旋运动。h物理学物理学第五版第五版物理学物理学第五版第五版7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动下页下页首页首页目录目录上页上页/cos2coshv TvTmvqBR/vv vB螺距螺距 h：h三、带电粒子在电磁场中运动的应用举例三、带电粒子在电磁场中运动的应用举例物理学物理学第五版第五版物理学物理学第五版第五版7-7
4、 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动下页下页首页首页目录目录上页上页1.磁聚焦磁聚焦qBmvTvhqBmTcos22/在显像管、电子显微镜和真空器件中，常用磁聚在显像管、电子显微镜和真空器件中，常用磁聚焦来聚焦电子束。焦来聚焦电子束。mvmvsinRqBqB2 mvqB 如图，一束速度大小近似相同且与磁感应强度如图，一束速度大小近似相同且与磁感应强度B的夹角的夹角很小的带电粒子流从同一点出发进入均很小的带电粒子流从同一点出发进入均匀磁场中。匀磁场中。磁聚焦原理磁聚焦原理物理学物理学第五版第五版物理学物理学第五版第五版7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场
5、中的运动下页下页首页首页目录目录上页上页 用于产生高能粒子用于产生高能粒子的装置，其结构为金属的装置，其结构为金属双双 D 形盒，在其上加有形盒，在其上加有磁场和交变的电场。将磁场和交变的电场。将一粒子置于双一粒子置于双 D形盒的形盒的缝隙处，在电场的作用缝隙处，在电场的作用下，进入左半盒，由下，进入左半盒，由于金属具有静电屏蔽作用，带电粒子在磁场的作用下于金属具有静电屏蔽作用，带电粒子在磁场的作用下作圆周运动，进入缝隙后，电场极性变换，粒子被反作圆周运动，进入缝隙后，电场极性变换，粒子被反向加速，进入右半盒，因向加速，进入右半盒，因速度增加，轨道半径也增加。速度增加，轨道半径也增加。然后又穿
6、过缝隙，电场极性又变换，粒子不断地被加然后又穿过缝隙，电场极性又变换，粒子不断地被加速。能量不断增大，成为高能粒子后引出轰击靶。速。能量不断增大，成为高能粒子后引出轰击靶。2.2.回旋加速器回旋加速器物理学物理学第五版第五版物理学物理学第五版第五版7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动下页下页首页首页目录目录上页上页 B B回旋加速器回旋加速器物理学物理学第五版第五版物理学物理学第五版第五版7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动下页下页首页首页目录目录上页上页2222k221RBmqmvE粒子的动能：粒子的动能：BmqvR)(BRmqv 轨道
7、半径：轨道半径：粒子引出速度：粒子引出速度：振荡器的周期：振荡器的周期：2mTqB做圆周运动的周期：做圆周运动的周期：回旋加速器一般适用于加速质量较大的粒子，不宜回旋加速器一般适用于加速质量较大的粒子，不宜用于加速电子。用于加速电子。2mTTqB物理学物理学第五版第五版物理学物理学第五版第五版7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动下页下页首页首页目录目录上页上页 目前世界上最大的回旋加速器在美国费米加速目前世界上最大的回旋加速器在美国费米加速实验室，环形管道的半径为实验室，环形管道的半径为2公里。产生的高能粒子公里。产生的高能粒子能量为能量为5000亿电子伏特。亿电子
8、伏特。世界第二大回旋加速器在欧洲加速中心，加速世界第二大回旋加速器在欧洲加速中心，加速器分布在法国和瑞士两国的边界，加速器在瑞士，器分布在法国和瑞士两国的边界，加速器在瑞士，储能环在法国。产生的高能粒子能量为储能环在法国。产生的高能粒子能量为280亿电子亿电子伏特。伏特。回旋加速器回旋加速器物理学物理学第五版第五版物理学物理学第五版第五版7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动下页下页首页首页目录目录上页上页用于分析同位素用于分析同位素和测量离子荷质比的重要仪器。和测量离子荷质比的重要仪器。(1)(1)分析同位素分析同位素 用于分离同位数有相同的质子数和电子数，但用于分
9、离同位数有相同的质子数和电子数，但中子数不同的元素。它们的化学性质相同，无法用中子数不同的元素。它们的化学性质相同，无法用化学的方法将它们分离开化学的方法将它们分离开。(2)(2)质谱仪的工作原理质谱仪的工作原理 以速度以速度v v 置入一带电量为置入一带电量为 q 的粒子，粒子受到电场和磁的粒子，粒子受到电场和磁场的共同作用。当粒子速度较场的共同作用。当粒子速度较小时，电场力大于洛伦兹力，小时，电场力大于洛伦兹力，粒子向左偏转被左极板吸收。粒子向左偏转被左极板吸收。+-v vE EF Fef fLB B3.3.质谱仪质谱仪物理学物理学第五版第五版物理学物理学第五版第五版7-7 带电粒子在电场
10、和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动下页下页首页首页目录目录上页上页 当粒子速度较大时，电场当粒子速度较大时，电场力小于洛伦兹力，粒子向右偏力小于洛伦兹力，粒子向右偏转被右极板吸收。转被右极板吸收。当粒子速度当粒子速度满足电场力等于洛伦兹力时，满足电场力等于洛伦兹力时，有有LefFqvBqEEvB 于是速度满足上式的粒子竖直向下运动，穿过于是速度满足上式的粒子竖直向下运动，穿过狭缝进入下方磁场狭缝进入下方磁场B；通过调整；通过调整 E 和和 B 可选择粒子可选择粒子速度。速度。RB B+-v vE E速度选择器速度选择器F Fef fLB B质谱仪质谱仪物理学物理学第五版第五版物理学物理
11、学第五版第五版7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动下页下页首页首页目录目录上页上页qBmvR可知，质量大的同位素粒可知，质量大的同位素粒子，轨道半径大，质量小子，轨道半径大，质量小的同位素粒子，轨道半径的同位素粒子，轨道半径小。不同质量的粒子在胶小。不同质量的粒子在胶片屏上留下不同的质谱线。片屏上留下不同的质谱线。根据质谱线的位置，可推根据质谱线的位置，可推出同位素的质量。出同位素的质量。质谱线质谱线在在 B B 中作圆周运动的轨中作圆周运动的轨道半径由道半径由R RBB胶片屏胶片屏+-v vE E速度选择器速度选择器F Fef fLB B7072 73 74 76
12、锗的质谱锗的质谱质谱仪质谱仪qvEmRBRB B物理学物理学第五版第五版物理学物理学第五版第五版7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动下页下页首页首页目录目录上页上页4 4、霍耳效应、霍耳效应 1879年，霍耳（年，霍耳（E.H.Hall）发现，把一载流导体放在发现，把一载流导体放在磁场中时，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电磁场中时，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流两者垂直的方向上出现横向电势差。称为流两者垂直的方向上出现横向电势差。称为霍耳效应霍耳效应，这电，这电势差称为势差称为霍耳电势差霍耳电势差。物理学物理学第五版第五版物理学物理学第五版第五版7-7 带电粒子在电场和磁场中的运动带电粒子在电场和磁场中的运动下页下页首页首页目录目录上页上页 实验指出，在磁场不太强时，霍耳电势差实验指出，在磁场不太强时，霍耳电势差 UH与与电流电流 I 和磁感应强度和磁感应强度B 成正比，与板的宽成正比，与板的宽d 成反比。成反比。RH称为称为霍耳系数霍耳系数，仅与材料有关。，仅与材料有关。12HHBIUVVRd实质：实质：是导体中载是导体中载流子受到洛伦兹力流子受到洛伦兹力作用而发生横向漂作用而发生横向漂移的结果。移的结果。Iv vB Bbdf fLUHq1V2V当电场力与洛伦兹力平衡时，当电场力与洛伦兹力平衡时，UH 稳定稳定。
