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洛伦兹力在现代科技上的应用 ppt课件

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《洛伦兹力的应用》课件

《洛伦兹力的应用》课件

深入探究洛伦兹力在电机中的应用有助于 开发新型电机，满足各种不同的需求和应 用场景。
洛伦兹力在磁悬浮列车中的应用
悬浮与导向作用
磁悬浮列车利用洛伦兹力实现车体的悬浮和导向，消除了 传统列车与轨道的接触摩擦，极大地提高了列车的运行速 度和稳定性。
磁场设计与控制
为了实现稳定悬浮和导向，需要对列车下方的磁场进行精 确的设计和控制，确保列车在高速行驶过程中的稳定性和 安全性。
大小
洛伦兹力的大小与磁感应强度、电荷量、速度和磁感应强度与速度的夹 角有关。
03
作用
洛伦兹力对带电粒子不做功，只改变带电粒子的运动方向，因此是描述
带电粒子在磁场中运动状态的重要物理量。
洛伦兹力的大小
公式
$F = qvBsintheta$，其中$q$为带电 粒子的电荷量，$v$为带电粒子的速 度，$B$为磁感应强度，$theta$为速 度与磁感应强度的夹角。
ERA
洛伦兹力的定义
洛伦兹力
带电粒子在磁场中所受到的力。
定义公式
$F = qvBsintheta$，其中$q$为带电粒子的电荷量，$v$为带电粒子的速度， $B$为磁感应强度，$theta$为速度与磁感应强度的夹角。
洛伦兹力的性质
01 02
方向
洛伦兹力的方向由左手定则确定，即伸开左手，让大拇指与其余四指垂 直，并处于同一平面内，将磁感线穿入手心，四指指向正电荷运动的方 向，大拇指所指的方向即为洛伦兹力的方向。
磁场与电流相互作用
洛伦兹力在电机中起着关键作用，它使带 电粒子在磁场中受到力的作用而产生旋转 ，进而驱动电机的旋转。
电机内部的磁场与电流相互作用，产生洛 伦兹力，该力驱动电机的转子旋转，从而 将电能转换为机械能。

1-3洛伦兹力的应用课件(32张PPT)

1-3洛伦兹力的应用课件(32张PPT)

2
。

(2)当磁感应强度为峰值B0时,电子束有最大偏转,在荧光屏
上打在Q点,PQ= 3 L。电子运动轨迹如图所示,设此时的
3
偏转角度为θ,由几何关系可知,tan θ=
,所以θ=60°。

根据几何关系,电子束在磁场中运动路径所对圆心角
α=θ,而

tan2
=


由牛顿第二定律和洛伦兹力公式得
答案 (1)
2. 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。
第1章 安培力与洛伦兹力
（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，
2 m
其周期与速率、半径均无关（T
2

(2)
6
3
2
evB0=
,解得

B0=
6
。
3
第1章 安培力与洛伦兹力
规律总结 显像管中电子束偏转问题的解决思路
(1)电子在电场中加速,根据动能定理建立加速电压和电子离开电场时的
速度关系,即
1
eU=2mv2。

(2)电子在磁场中的偏转,根据“定圆心、画轨迹、求半径”和半径 r= 、周期
束沿纸面发生偏转的磁场(如图乙所示),其磁感应强度B=μNI,
式中μ为磁常量,N为螺线管线圈的匝数,I为线圈中电流的大
小。由于电子的速度极大,同一电子穿过磁场过程中可认为
磁场没有变化,是稳定的匀强磁场。
第1章 安培力与洛伦兹力
已知电子质量为m,电荷量为e,电子枪加速电压为U,磁常量为μ,螺线管线圈的匝数为N,偏转磁场区

《洛伦兹力的应用》课件

《洛伦兹力的应用》课件

洛伦兹力的应用
1
同步加速器
电子在加速器中受到射频场和磁场的作用，实现加速和减速，产生高原子核围绕磁矢量的洛伦兹力，实现对人体结构和功能的非侵入性检测。
3
磁浮列车
磁浮列车利用洛伦兹力悬浮在轨道上，通过磁场推动列车高速行驶。
总结
洛伦兹力是描述电荷在电磁场中运动时所受到的力。
1 广泛应用
同步加速器、磁共振成像、磁浮列车等领域都离不开洛伦兹力的应用。
《洛伦兹力的应用》PPT 课件
探索洛伦兹力在不同应用中的神奇效果。从同步加速器到磁共振成像，再到 磁浮列车，让我们一起揭开洛伦兹力的秘密。
什么是洛伦兹力？
洛伦兹力是描述电荷在电磁场中运动时所受到的力。
公式表达
洛伦兹力公式为 F = q(E + v × B)
物理意义
洛伦兹力决定了电荷运动轨迹和速度的变化。

洛伦兹力在现代科技上的应用(正式)

洛伦兹力在现代科技上的应用(正式)
A. a 处电势高于b 处电势
B. a 处离子浓度大于b 处离子浓度
C. 溶液的上表面电势高于下表面电势 D. 溶液的上表面处 离子浓度大于下表面处 的离子浓度 c
N Z
y
B b d x
I
a
磁流体发电机
M v
电磁流量计
B b c
霍尔效应
N
a
ε=Ed=Bvd
（空心导体－
Ub U 1 IBd 1 IB Q vS H nq S nq b B
U U Bvq q v c Bc
B
Q 公式：
Ub Q vS B
c a
b
四、霍尔效应
1、定义：当通电的导体处在垂直于电流方向的 磁场中时，在导体的上、下表面产生电压 金属导体
I f
v
d
f
qE
E
2、哪一面电势高，与导电粒子的种类有关。
3、霍尔电压的计算式：
霍尔电压：UH=Bvd.
B d
直线加速器
最大直线加速器：
斯坦福大学
直线加速器
2英里长直线加速管
（2）、回旋加速器
直线加速器缺点： 体积大，占地大。
1932年美国科学家劳伦斯发明了回旋加速 器,1939年获得了诺贝尔物理学奖。
美国费米加速器实验室
北京正负电子对撞 机：能量达到3GeV
欧洲大型强子对撞机（LHC）是最大的粒子加速器，
故总时间==磁场时间。
3、匀速圆周运动的最大半径=D形盒的半径。 4、在粒子的质量、电荷量确定的情节下，粒子的最
大动能只与D形盒的半径R和磁感应强度B有关，与加
速电压U无关。
（1）.直线加速器
+
+

洛伦兹力在现代科技上的应用

洛伦兹力在现代科技上的应用

力和洛伦兹力 平衡 时，a、b间有稳定的电势
差U，则液体的流速为
液体的流量
为
。
.
14
例5.医生做某些特殊手术时，利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速
度．电磁血流计由一对电极a和b以及一对磁极N和S构成，磁极间的磁
场是均匀的．使用时，两电极a、b均与血管壁接触，两触点的连线、磁
场方向和血流速度方向两两垂直．如图所示．由于血液中的正负离子随
qvB qE2•
照相底片
... s2
p
-
1
... ... ...
p2
+
................. s3
................ .............
.........
质谱仪的示意图
qU1
1 2
mv02
利用磁场分离 （B2）
6、测出条纹到狭缝S3
的距离L，则粒子的荷
质比是多少？
q m
电动势U=BdV
R中电流I=
E
BdV
.R＋r
=
R＋ ρ
d S
BdVS = RS＋ ρ1d1
四、霍尔（E.C.Hall)效应P98(教材）
在一个通有电流的导体板上，垂直于板面施加 一磁场，则平行磁场的两面出现一个电势差，这 一现象是1879年美国物理学家霍耳发现的，称为 霍耳效应。该电势差称为霍耳电势差 。
由O′射出.不计重力作用.可能达到上述目的的办法是( A.使a板的电势高于b板，磁场方向垂直纸面向里
AD)
B.使a板的电势低于b板，磁场方向垂直纸面向里
C.使a板的电势高于b板，磁场方向垂直纸面向外
D.使a板的电势低于b板，磁场方向垂直纸面向外

洛伦兹力在现代科技中的应用-修改版

洛伦兹力在现代科技中的应用-修改版

ASCS 1S 2S 3S 4Vr PF BD B 0VU M N 洛伦兹力在现代科技中的应用一．速度选择器原理：其功能是选择出某种速度的带电粒子 1．结构：如图所示（1）平行金属板M、N,将M 接电源正极，N 板接电源负极，M、N 间形成匀强电场,设场强为E；（2)在两板之间的空间加上垂直纸面向里的匀强磁场，设磁感应强度为B; (3)在极板两端加垂直极板的档板,档板中心开孔S 1、S 2，孔S 1、S 2水平正对。

2．原理设一束质量、电性、带电量、速度均不同的粒子束（重力不计），从S 1孔垂直磁场和电场方向进入两板间，当带电粒子进入电场和磁场共存空间时，同时受到电场力和洛伦兹力作用Bq FEq F 洛电,若洛电FFBq Eq v E B0 。

当粒子的速度v EB0 时，粒子匀速运动,不发生偏转，可以从S 2孔飞出。

由此可见，尽管有一束速度不同的粒子从S 1孔进入，但能从S 2孔飞出的粒子只有一种速度,而与粒子的质量、电性、电量无关3。

粒子匀速通过速度选择器的条件——带电粒子从小孔S 1水平射入， 匀速通过叠加场， 并从小孔S 2水平射出，电场力与洛仑兹力平衡， 即 Bq Eq ;即v E B; 当粒子进入速度选择器时速度v EB0 ， 粒子将因侧移而不能通过选择器. 如图， 设在电场方向侧移 d 后粒子速度为v ,（1） 当BEv 0时： 粒子向洛伦兹力f 方向侧移 电场力F 做负功，粒子动能 减少， 电势能增加， 有2202121mv d qE mv(2） 当BEv 0时:粒子向电场力F 方向侧移,F 做正功,粒子动能增加, 电势能减少, 有1212022mv qE d mv二．质谱仪 主要用于分析同位素， 测定其质量， 荷质比和含量比, 1．质谱仪的结构原理（1)离子发生器O（发射出电量q、质量m 的粒子从A 中小孔S 飘出时速度大小不计） （2)静电加速器C:静电加速器两极板M 和N 的中心分别开有小孔S 1、S 2，粒子从S 1进入后，经电压为U 的电场加速后，从S 2孔以速度v 飞出；(3）速度选择器D:由正交的匀强电场E 0和匀强磁场B 0构成，调整E 0和B 0的大小可以选择度为v 0＝E 0/B 0的粒子通过速度选择器,从S 3孔射出; （4)偏转磁场B:粒子从速度选择器小孔S 3射出后,从偏转磁场边界挡板上的小孔S 4进入,做半径为r 的匀速圆周运动；（5)感光片F：粒子在偏转磁场中做半圆运动后，打在感光胶片的P 点被记录,可以测得PS 4间的距离L。

洛伦兹力的应用课件 高二物理(鲁科版2019选择性必修第二册)(共23张PPT)

A1A2,平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场.下列说法正确的是( ABC )
A.质谱仪是分析同位素的重要工具
B.速度选择器中的磁场方向垂直于纸面向外


C.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于
D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的比荷越小
[解析] 质谱仪是分析同位素的重要工具,A正确;
带电粒子在速度选择器中沿直线运动时,所受电场力和
粒子做匀速直线运动
左手定
则
生活实例
洛伦兹力的应用
6.磁流体发电机
等离子体射入，受洛伦
兹力偏转，使两极板带
电，板间电压为U，稳

定时 = , =


左手定
则
生活实例
洛伦兹力的应用
尔效应
平衡时，电场力等于洛伦
兹力(金属中能移动的自由
电荷为电子，带负电)

= = → = ℎ
盒中心的A点静止释放一质量为m、电荷量为q的带电粒子，
调整加速电场的频率，使粒子每次在电场中始终被加速，
最后在左侧D形盒边缘被特殊装置引出。不计带电粒子的重
力。求：
(1)粒子获得的最大动能Ekm；
例题 回旋加速器是加速带电粒子的装置，如图所示。设匀
强磁场的磁感应强度为B，方向垂直于半径为R的D形盒，狭
)
A.M处的电势高于N处的电势
B.增大M、N之间的加速电压可使P点左移
C.偏转磁场的方向垂直于纸面向外
D.增大偏转磁场磁感应强度的大小可
使P点左移 D
解析：电子在电场中加速运动，
电场力的方向和运动方向相同，
而电子所受电场力的方向与电场
的方向相反，所以M处的电势
低于N处的电势，A错误；

高中物理《洛伦兹力与现代科技》课件ppt


B、若离子束是同位素，则x越大，离子质量越小
C、只要x相同，则离子质量一定相同 D、只要x相同，则离子的荷质比一定相同
R 1 x 1 2mU 2Bq
S
···
···
···x
···B
···
P
1
U
q
S
改进的质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为 U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为 B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。 今有一质量为m、电量为+e的正电子(不计重力)，经加 速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器 后做半径为R的匀速圆周运动。求：
v 2qU m
q m
2U B2R2
可见，此仪器可以用来测定带电粒子的荷质比,也 可以在已知电量的情况下测定粒子质量，这样的仪器 叫质谱仪。
质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的，他 用质谱仪发现了氖20和氖22，证实了同位素的存在。 现在质谱仪已经是一种十分精密的仪器，是测量带电 粒子的质量和分析同位素的重要工具。
在电、磁场中，若不计重力，则： qE qvB v E
B
思考 ：其他条件不变，把粒子改为负电荷，能通过吗？
电场、磁场方向不变，粒子从右向左运动，能直线通过吗？
归纳： 1.速度选择器只选择速度，与电荷 的正负无关； 2.带电粒子必须以唯一确定的速度 （包括大小、方向）才能匀速（或 者说沿直线）通过速度选择器。否 则偏转。
二、质谱仪
例:一个带电粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为 Ｕ的加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入 磁感应强度为Ｂ的匀强磁场中，最后打到照相底片Ｄ
上，粒子在磁场中运动的轨道半径为R求：（１）求粒

洛仑兹力在科技中的应用


v>
－－－－－－－－－
E B
＋＋＋＋＋＋＋＋＋
结 论
Eq qvB
速度选择器不但对速度的 有限制(只能等于 只能等于E/B)，而且对 有限制 只能等于 ， 进行选择。 速度的 进行选择。
-
v
v
－－－－－－－－－
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K = 1 ne
磁流体发电机 图所示的是磁流体发电机原理图， 如 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， 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， 转而聚集到两极板上，在两极板上产 生电势差. 生电势差
• 设A、B平行金属板的面积为 ，相距 ，等 平行金属板的面积为S，相距L， 、 平行金属板的面积为 离子气体的电阻率为 电阻率为ρ 喷入气体速度为v， 离子气体的电阻率为ρ，喷入气体速度为 ， 板间磁场的磁感应强度为B，板外电阻为R， 板间磁场的磁感应强度为 ，板外电阻为 ， 当等离子气体匀速通过A、 板间时 板间时， 、 当等离子气体匀速通过 、B板间时，A、B 板上聚集的电荷最多，板间电势差最大， 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 此时离子受力平衡： 即为电源电动势 此时离子受力平衡： Eq=Bqv,v=E/B,电动势 电动势U=EL=BLv. r= ? 电动势
• （1）低于 ）
evB（2） ） e
U h
（3） evB ）
或 U = hvB
• （4）电子受到横向静电力的洛仑兹力的作用， 平 ）电子受到横向静电力的洛仑兹力的作用， 衡时有通过导体的电流强度为： 衡时有通过导体的电流强度为： I = Q = n (vt )dh = nevdh

洛伦兹力的应用-精品课件


一、回旋加速器
一、回旋加速器
真空容器
匀强磁场
粒子源
高频电源
2个D型 金属盒
引出装置
一、回旋加速器 1. 极板间的电压应该满足什么条件？
2m T qB
U
0
T圆周 2 T圆周 2
T0
t
要使粒子每次经过电场都被 加速，应在电极上加一个交 变电压。且：

2 m TE TB qB
一、回旋加速器 2. 粒子获得的最大速度与动能
U ~
占地面积大， 造价贵。
北京正负电子对撞机BEPC (直线注入器）
中科院高能物理研究所 /bepczz/zxfzt/
斯坦福直线加速器(约3.2公里）
...＋ . . . .＋ . .... － .... － v .... ....
. . . . .B . . . . . － ..... ＋ ..... ＋ ..... .....
一、回旋加速器
3. 回旋加速器D形盒中央为质子流,D形盒间的交变电压 为U=2×104V,静止质子经电场加速后，进入D形盒，其 最大轨道半径R=1m，磁场的磁感应强度B=0.5T，质子 的电量q=1.60×10－19C，质量m=1.67×10-27Kg问： （1）质子经回旋加速器最后得到的动能是多大？共加 速了多少次？ 2 2 2 1 B q R 2 （2）交变电源的频率是多大？E mv
mv R qB
vmax
qBR m
2
与加速 电压无 关！
2
1 1 qBR 2 q B 2 2 E mv m( ) R 2 2 m 2m
粒子获得的最大速度与动能只与粒子的带 电量、质量、磁感应强度B、回旋加速器半 径有关！与加速电场无关。
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原理：等离子气体喷入磁场， 正、负离子在洛仑兹力作用下 发生偏转而聚集到A、B板上， 产生电势差.
设A、B平行金属板的面积为S，相距d， 等离子体的电阻率为ρ，喷入气 体速度为v，板间磁场的磁感强度 为B，当A、B板上聚焦的电荷最多 时，板间电势差多大？
若在板外接电阻R，此时通过R的电流 是多大？
质量（微观带电粒子， G不计）
例1. 图示为一“滤速器”装置的示意图.a、b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O进入a、b两板之间.为了选取具有某种特定速
率的电子，可在a、b间加上电压，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OO′运动，
由O′射出.不计重力作用.可能达到上述目的的办法是( A.使a板的电势高于b板，磁场方向垂直纸面向里
力和洛伦兹力 平衡 时，a、b间有稳定的电势
差U，则液体的流速为
液体的流量
为
。
例5.医生做某些特殊手术时，利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速
度．电磁血流计由一对电极a和b以及一对磁极N和S构成，磁极间的磁
场是均匀的．使用时，两电极a、b均与血管壁接触，两触点的连线、磁
场方向和血流速度方向两两垂直．如图所示．由于血液中的正负离子随
血流一起在磁场中运动，电极a、b之间会有微小电势差．在达到平衡时，
血管内部的电场可看作是匀强电场，血液中的离子所受的电场力和磁场
力的合力为零．在某次监测中，两触点间的距离为3.0 mm，血管壁的
厚度可忽略，两触点间的电势差为160 μV，磁感应强度的大小为0.040
T．则血流速度的近似值和电极a、b的正负为 A．1.3 m/s，a正、b负
3、其他条件不变，把粒子改为负 电荷，能通过吗？
4、其它条件不变，粒子从下向 上运动，能直线通过吗？
5、其它条件不变，只改变粒子 的电量或质量，能直线通过吗？
速度选择器
构造：正交的电磁场
条件：不计重力
要选择：
速率： v E B
v B,v E,
（速度） 方向：且是唯一入射方向
不选择：
电性 电量
而且平行于狭缝S3的细线.已知电子电量为e.若测得细线 到狭缝S3的距离为d，试推导分子离子的质量m的表达式.
在加速电场,动能定理：12mv2＝eU.
粒子进入匀强磁场后，evB＝mvR2，
又由几何关系 d＝2R 解得
m＝eB8U2d2.
三、磁流体发电机P103(教材）
等粒子体：即高温下电离的气 体，含有大量正、负带电粒子
AD)
B.使a板的电势低于b板，磁场方向垂直纸面向里
C.使a板的电势高于b板，磁场方向垂直纸面向外
D.使a板的电势低于b板，磁场方向垂直纸面向外
二、质谱仪
利用电场加速
速度选择器（E2、B1）
s1
qU1

1 2
mv02
qvB qE 2•
照相底片
. . . s2
-p1
... ... ...
p2
+
. . . . . . . . . . . . . . . . . s3
U K IB d
K 1 K叫霍尔系数 ne
U
U e eBv
h
I neSv
U BI ned
五、电磁流量计
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以速度v流过导管．
原理:导电液体中的自由电荷（正、负离子）
在 洛伦兹力 作用下横向偏转，a、b间出
现 电势差，形成电场。当自由电荷所受电场
度大小关系为va＜vb= vc＜vd，质量关系为ma= mb＜mc= md，同时沿图示方向进入粒子速度选择器后，一粒子射向 P1板，一粒子射向P2板，其余两粒子通过速度选择器后， 进入另一磁场，分别打在A1和A2两点。则射到P1板的是
__a__粒子，射到P2板的是_d__粒子，打在A1点的是_c___粒子， 打在A2点的是__b__粒子。
利用磁场分离 （B2）
................ .............
.........
6、测出条纹到狭缝S3 的距离L，则粒子的荷 质比是多少？
质谱仪的示意图
q m

2E 2 LB1B2
氢核、氘核和α粒子哪个粒子打得远？
测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。
例2.如图所示，a、b、c、d为四个正离子，电量相等，速
A
B．2.7 m/s，a正、b负
C．1.3 m/s，a负、b正
D．2.7 m/s，a负、b正
五、回旋加速器
思考：怎样获得高能的粒子？
直线加速器
1.加速原理：利用加速电场对带电粒子做
正功使带电粒子的动能增加，qU=Ek．
2.直线加速器，多级加速
如图所示是多级加速装置的原理图：
电动势U=BdV
R中电流I=
E R＋r
BdV
=
R＋ ρ
d S
=
BdVS RS＋ ρd
四、霍尔（E.C.Hall)效应P98(教材）
在一个通有电流的导体板上，垂直于板面施加 一磁场，则平行磁场的两面出现一个电势差，这 一现象是1879年美国物理学家霍耳发现的，称为 霍耳效应。该电势差称为霍耳电势差 。
第7节 洛伦兹力的应用
诺贝尔奖得主丁肇中
安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪(A MS ),用于检测有无反粒子和暗物质
×× ×
× ××
x1
B
照
相底x1
× ××
片x3
qq12// mm12 q3/ m3
一、速度选择器
速度选择器
思考：1、P1、P2之间的电场方向 是向左还是向右？
2、ห้องสมุดไป่ตู้子在通过S2、S3之间做匀 速直线运动的条件是什么？
例3.如图所示是测量带电粒子质量的仪器的工作原
理示意图.设法将某有机化合物的气态分子导入图中所示
的容器A中，使它受到电子束轰击，失去一个电子变成正
一价的分子离子.分子离子从狭缝S1以很小的速度进入电 压为U的加速电场区(初速不计)，加速后，再通过狭缝S2、 S3射入磁感应强度为B的匀强磁场，方向垂直于磁场区的 界面PQ.最后，分子离子打到感光片上，形成垂直于纸面
霍耳
思考：如果电流是负电荷定向移动形成的，则电势哪端高？
正电荷呢？
负电荷：下表面
霍尔效应：电流的方向确定 磁流体发电机：电荷移动方向确
定
例4.厚度为h、宽度为d的金属板放在垂直于磁感应强度为B的 匀强磁场中，已知金属导体单位体积中的自由电子数为n，电子 电量为e，则当电流 I 流过导体时，在导体板上下侧面间会产生 电势差U，证明电势差U、电流I和B的关系为：