电工电子类主题六 磁场及其应用第四节 磁场对运动电荷的作用一等奖备课ppt课件

这是一份电工电子类主题六 磁场及其应用第四节 磁场对运动电荷的作用一等奖备课ppt课件，共48页。PPT课件主要包含了情境与问题，主要内容，磁场对运动电荷的作用，洛伦兹力的方向，洛伦兹力的大小，磁偏转，回旋加速器，思考与讨论等内容，欢迎下载使用。

极光（图6-4-1）是一种美丽的自然现象，多出现在靠近南北极的地方。我国最北端的漠河、挪威北部的特罗姆瑟、加拿大北部哈德逊湾等地都可以看到极光。
极光是怎么形成的？为什么多出现在靠近南北极的地方？
我们知道，通电导线在磁场中要受到安培力的作用，也就是说，磁场对电流有力的作用。而电流是由电荷的定向运动形成的，那么磁场对运动电荷是不是也有力的作用呢？
带电粒子在匀强磁场中的运动
图6-4-2 电子束在磁场中的偏转
将阴极射线管的两端与高压电源相连后，电子将从阴极射出加速飞向阳极。其运动的径迹可以通过激发的荧光来显示，如图6-4-2所示。
【观察与体验】电子束在磁场中的偏转
一、磁场对运动电荷的作用
用条形磁铁的N极靠近玻璃管，如图6-4-2所示，在与电子束速度垂直的方向上增加一个外磁场，再次观察电子束的径迹。
接通电源，在不加外磁场的情况下，观察电子束的径迹。
在没有外加磁场时电子束的径迹呈现什么形状？增加磁场后电子束的径迹发生什么变化？为什么会发生这样的变化呢？
在阴极射线管中，当电子束从负极向正极运动时，若没有外磁场，电子束在荧光板上显示的径迹是一条直线，当外加磁场后，电子束的径迹发生了弯曲，在荧光板上显示出一条曲线，表明电子束受到了磁场力的作用。
洛伦兹力 理论和实验表明，磁场对运动电荷有力的作用，这个力称为洛伦兹力，是由荷兰物理学家洛伦兹首先提出的。
如果运动电荷不是电子（例如离子），用其它的实验装置仍可以发现磁场对运动电荷有力的作用。
将一段通电导线置于磁场中，导线中每一个做定向移动的自由电荷都会受到洛伦兹力的作用。这些洛伦兹力的矢量和，在宏观上就表现为导线所受的安培力（图6-4-3）。
图6-4-3 安培力是洛伦兹力的宏观表现
洛伦兹力的方向如何判定呢？
即：磁场中通电导线所受的安培力是洛伦兹力的宏观表现，洛伦兹力是安培力的微观本质。
如图6-4-2，保持阴极射线管的位置不变，改变磁场的方向，如用条形磁铁的S极靠近玻璃管，观察电子束的偏转方向。
【观察与体验】洛伦兹力的方向
保持磁场方向不变，调换阴极射线管左右位置，即让电子束自右向左运动，再次观察电子束的偏转方向。
上述实验表明，磁场力的方向可能与 有关。考虑到通电导线所受的安培力是洛伦兹力的宏观表现，你能尝试用判断安培力的方法，来判断电子束的偏转方向吗？
与判断安培力的方向一样，洛伦兹力的方向也可以用左手定则来判定：伸开左手，使大拇指和其余四个手指垂直，且处于同一平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿过手心，四指指向正电荷运动的方向（图6-4-4a）或负电荷运动的反方向（图6-4-4b），那么，大拇指所指的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向。
（a） （b）
图6-4-4 用左手定则判断洛伦兹力的方向
【观察与体验】 洛伦兹力的方向
地球磁场的N极在地理南极附近，S极在地理北极附近，其磁感线分布大致如图6-4-5所示。请根据左手定则判断：当带正电的宇宙微粒垂直于地球表面射向赤道时，会向什么方向偏转?
图6-4-5 地磁场示意图
地球具有磁场。沿着各个方向射向地球的宇宙高能微粒，大部分在地球磁场的作用（即洛伦兹力的作用）下,轨迹会发生偏转，绕过地球，使地球上的生命免受来自这些微粒的伤害；但仍有一小部分带电微粒，例如平行于磁场方向入射的微粒，会沿着磁感线向南、北两极运动，这部分微粒进入极地大气层时，与大气中的原子、分子发生碰撞，从而发射出不同波长的辐射，这就是美丽的极光。
洛伦兹力的方向可以用左手定则判定，那么它的大小与什么因素有关呢？
如图6-4-2所示，保持其他条件不变，改变磁铁到阴极射线管的距离，观察电子束径迹的变化。
【观察与体验】洛伦兹力的大小
我们观察到：磁铁离阴极射线管越近，电子束偏转的角度越 。这说明洛伦兹力的大小可能与 有关。
洛伦兹力的大小 大量精确的实验和理论均表明：当电荷的运动方向与磁感线垂直（图6-4-6）时，运动电荷受到的洛伦兹力最大，洛伦兹力F与运动电荷所带的电荷量q、运动速度v以及磁感应强度B的大小成正比，即F=qvB式中力、电荷量、速度、磁感应强度的单位分别为牛顿（N）、库仑（C）、米每秒（m/s）、特斯拉（T）。
电荷的运动方向与磁感线平行（图6-4-7）时，不受洛伦兹力作用。
图6-4-6 v与B垂直 图6-4-7 v与B平行
示例1 一个电荷量q=1.610-19 C的带电粒子以v=1.0106 m/s的速度，沿垂直于磁场的方向射入磁感应强度B=0.1 T的匀强磁场中，求它所受到的洛伦兹力的大小。若该粒子沿着磁场的方向射入，所受的洛伦兹力又是多大？
解 根据洛伦兹力的特点，当带电粒子垂直射入磁场时，所受的洛伦兹力大小为F=qvB=1.610-191.01060.1 N=1.610-14 N当带电粒子沿着磁场方向射入时，不受洛伦兹力，即F=0
现在我们知道，带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力的作用。而牛顿运动定律告诉我们，力是改变物体运动状态的原因。那么洛伦兹力是如何改变物体运动状态的？带电粒子在匀强磁场中的运动又有什么特点？
当带电粒子沿着与磁场垂直的方向进入匀强磁场时，将受到洛伦兹力的作用，洛伦兹力的方向不仅与速度的方向垂直，还与磁场的方向垂直，如图6-4-6所示。这样，洛伦兹力的方向与初速度的方向都在与磁场垂直的一个平面内，粒子只能在这个平面内运动。
在粒子运动的全过程中，洛伦兹力起到了向心力的作用，即大小不变，方向始终指向圆心。带电粒子做匀速圆周运动，如图6-4-8所示。
四、带电粒子在匀强磁场中的运动
图6-4-6 v与B垂直
图6-4-8 带电粒子做匀速圆周运动
粒子做匀速圆周运动的半径r与粒子的质量m、速度v成正比，与电荷量q、磁感应强度B成反比，与实验结果一致。
利用匀速圆周运动的规律，我们还可以知道带电粒子做匀速圆周运动的周期。
带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期与速度和半径无关。
能量是一切物体所具有的特性。带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时，具有哪些形式的能量？这些形式的能量是否发生变化？
因此，在我们使用的仪器设备中，洛伦兹力是不能用于加速带电粒子的。我们往往使用加速电场，通过电场力做功来实现对带电粒子的加速。
在不计重力的情况下，带电粒子在磁场中运动时所具有的能量表现为动能。由于带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时，所受的洛伦兹力始终与速度方向垂直，对粒子不做功，粒子的动能将保持不变。
示例2 在如图6-4-8a所示的洛伦兹力演示仪中，一电子以v=2.0106 m/s的速度从电子枪中射出，沿垂直于磁场的方向射入磁感应强度B= 3.010-4 T的匀强磁场中。求：（1）电子在磁场中做匀速圆周运动的半径和周期。已知电子所带电量e=1.610-19 C，质量m=9.110-31 kg。（2）若要使电子做圆周运动的半径增大，可以采用哪些方法？
虽然洛伦兹力不能改变带电粒子的动能，但因为洛伦兹力的方向总与速度垂直，当带电粒子在磁场中运动时，会受到洛伦兹力的作用而发生偏转，这种磁偏转在实际的生产生活和科学研究中有着非常广泛的应用。
图6-4-9 显像管电视机
图6-4-10 电子束的扫描
显像管电视机（图6-4-9）内部的显像管就应用了电子束在洛伦兹力作用下的偏转。
随着科技的发展和人民生活水平的提高，显像管电视机正在逐渐被液晶电视所取代，这些淘汰下来的废旧电视机该如何处理呢？
【行为与责任】废旧电视机的回收和利用
其实在废旧电视机中有不少的宝贵资源，但同时在废旧电视机中也含有大量的有毒物质。因此，处理家里废旧电视机的时候，不能随意丢弃，要按照环保部门的规定进行环保回收，交由正规的废旧家电拆解公司进行拆解和处理。现在一些大型的彩电制造商和销售商也会协助进行环保回收。
回旋加速器是高能物理研究中的重要仪器，它也应用了带电粒子在洛伦兹力下的偏转。
根据W=qU，加速电场的电压越高，粒子获得的能量就越多。但是，产生过高的电压在技术上存在一定的困难。所以，现代加速器往往采用多次加速的办法。
为了探索原子核内部的结构，人们往往需要用高能量的粒子作为“炮弹”，去轰击原子核。这些产生高能量粒子的装置就称为加速器。怎样才能得到高能量的粒子呢？人们首先想到的是利用电场力对带电粒子做功来提高粒子的能量。
图6-4-11 回旋加速器工作原理示意图
图6-4-12 调试中的工作的230 MeV质子回旋加速器
回旋加速器不仅在高能物理的研究中具有重要意义，在医疗上也有重要作用。2014年，中国原子能院自主研制的100 MeV强流质子回旋加速器建成出束，成为国际上最大的紧凑型强流质子回旋加速器。
【技术·中国】质子回旋加速器
我们知道，带电粒子在电场中也能实现偏转，即“电偏转”。 那么“磁偏转”和“电偏转”有什么不同？什么时候选择“磁偏转”较好呢？
带电粒子在电场和磁场下的偏转具有不同的特点。如图6-4-13所示，一个带正电的粒子以初速度v0沿着垂直于电场的方向进入匀强电场。电场的宽度为L，它的运动有何特点？
图6-4-13 “电偏转”
将粒子的运动分解到x和y两个方向。 x方向不受力做匀速直线运动，y方向受恒力做匀加速直线运动。 整个运动是一个匀变速曲线运动，其轨迹是抛物线。
图6-4-14 “磁偏转”
当一个相同的带电粒子以相同的速度v0垂直进入相同宽度L的匀强磁场时，其所受的洛伦兹力虽然大小不变，但方向始终在改变，不是恒力，粒子做匀速圆周运动，其轨迹是一段圆弧。
从能量的变化看，带电粒子在电场中偏转时，电场力做正功，粒子的动能增加；而在磁场中偏转时，洛伦兹力不做功，粒子的动能不变。
从偏转效果看，我们把粒子射出场区时的速度和初速度的夹角称为偏转角。在电场中，由于x方向的速度始终不变，y方向的速度再增大，偏转角也不可能大于90；而在磁场中，由于粒子做匀速圆周运动，偏转角不受限制，并且带电粒子在相同时间内偏转的角度相同。
因此，像示波器（图6-4-15）这样需要粒子速度较快，屏幕又相对较小不需要特别大偏转角的情况，通常采用电偏转；而像电视机这样屏幕较大，需要大偏转角的情况，通常采用磁偏转。
图6-4-15 示波器
图6-4-16霍尔效应示意图
1879年，美国物理学家霍尔观察到，在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差。这个现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压。霍尔效应的产生也与带电粒子受到的洛伦兹力有关。
【应用与拓展】霍尔效应
常见的霍尔元件（图6-4-17）通常是用半导体材料制作的。它体积小，重量轻，功耗小，被广泛地用于生产和生活中。
图6-4-17霍尔元件
图6-4-18 霍尔测速仪示意图
图6-4-1 带电粒子加速器
带电粒子加速器是指用人工方法使带电粒子受电磁场作用而加速达到高能量的装置，简称加速器。如图6-4-1所示的带电粒子加速器，就是一个典型的例子。拥有先进科学技术的带电粒子加速器，其用途十分广泛，不仅可以用来研究粒子物理学，还广泛应用于其他领域。下面介绍几种带电粒子加速器在工业、农业、环境治理、医疗上的应用。
【应用与拓展】带电粒子加速器的应用
图6-4-2 太空育种
图6-4-3 用于放射治疗的加速器
加速器在工业上的应用 加速器用于工业生产，以低能加速器和离子源为主，包括辐射加工、无损探伤、离子掺杂等方面。
加速器在农业育种方面的应用 利用加速器产生高能质子、α射线诱变种子成为未来农业育种的趋势。
加速器在环境治理方面的应用 辐射处理“三废”不会造成环境的二次污染，符合可持续发展的要求。
加速器在医学上的应用 放射治疗是肿治疗的重要手段。以医用加速器为放射源的放射治疗设备，如图6-4-3所示，已经成为目前肿瘤放射治疗的主要设备。