高中物理速度選擇器和回旋加速器技巧和方法完整版及練習(xí)題含解析(編輯修改稿)
2025-04-02 21:09 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 離子在D形盒中運動的周期為粒子在磁場中回旋的時間為有=當(dāng)dR時，t1t2，即電場中運動時間可以忽略9．1932年美國物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，巧妙地利用帶電粒子在磁場中運動特點，解決了粒子的加速問題?，F(xiàn)在回旋加速器被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和恢學(xué)設(shè)備中?；匦铀倨鞯墓ぷ髟砣鐖D甲所，置于真空中的D形金屬盒半徑為R，兩盒間的狹縫很小，帶電粒子穿過的時間可以忽略不計。磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場與盒面垂直，加速器按一定頻率的高頻交流電源，保證粒子每次經(jīng)過電場都被加速，加速電壓為U。D形金屬盒中心粒子源產(chǎn)生的粒子，初速度不計，在加速器中被加速，加速過程中不考慮相對論效應(yīng)和重力作用。(1)求把質(zhì)量為m、電荷量為q的靜止粒子加速到最大動能所需時間；(2)若此回旋加速器原來加速質(zhì)量為2m，帶電荷量為q的α粒子（），獲得的最大動能為Ekm，現(xiàn)改為加速氘核（），它獲得的最大動能為多少？要想使氘核獲得與α粒子相同的動能，請你通過分析，提出一種簡單可行的辦法；(3)已知兩D形盒間的交變電壓如圖乙所示，設(shè)α粒子在此回旋加速器中運行的周期為T，若存在一種帶電荷量為q′、質(zhì)量為m′的粒子，在時進入加速電場，該粒子在加速器中能獲得的最大動能？（在此過程中，粒子未飛出D形盒）【答案】（1）；（2），見解析；（3）【解析】【分析】【詳解】（1）由洛倫茲力提供向心力得粒子每旋轉(zhuǎn)一周動能增加2qU，則旋轉(zhuǎn)周數(shù)周期粒子在磁場中運動的時間一般地可忽略粒子在電場中的運動時間，t磁可視為總時間（2）對α粒子，由速度得其最大動能為對氘核，最大動能為若兩者有相同的動能，設(shè)磁感應(yīng)強度變?yōu)锽′、由α粒子換成氘核，有解得，即磁感應(yīng)強度需增大為原來的倍高頻交流電源的原來周期故由α粒子換為氘核時，交流電源的周期應(yīng)為原來的（3）對粒子分析，其在磁場中的周期每次加速偏移的時間差為加速次數(shù)所以獲得的最大動能10．汽車又停下來了，原來是進了加油站。小明想，機器總是要消耗能源才干活兒，要是制造出不消耗任何能源卻能源源不斷對外做功的機器，那該是利國利民的大功勞一件??！小明為此設(shè)計了一個離子加速器方案：兩個靠得很近的、正對處留有狹縫的半圓形金屬盒，處在垂直于紙面向里、磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場中，M和是固定在金屬盒狹縫邊緣的兩平行極板，其上有正對的兩個小孔，給極板充電后，上板帶正電且兩板間電壓為U；質(zhì)量為m、帶電量為q的正離子從M板小孔由靜止開始加速，經(jīng)板小孔進入磁場區(qū)域，離子經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)后又回到M板小孔繼續(xù)加速，再偏轉(zhuǎn)，再加速……假設(shè)電場集中在兩極板之間，其他區(qū)域沒有電場，并忽略離子所受的重力，試計算：（1）兩于第1次加速后獲得的動能：（2）第n次加速后和第次加速后，離子在磁場中偏轉(zhuǎn)的半徑大小之比；（3）小明想，離子每次經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)后都能再次進入兩極板間的電場進行加速，這個過程中電場、磁場不發(fā)生任何變化，離子動能卻不斷的增加……這個離子加速器就實現(xiàn)了不消耗任何能源便可以能源源不斷地對離子做功的目的！請根據(jù)你所學(xué)的知識，試判斷小明的設(shè)計方案是否科學(xué)，并具體闡述你的理由?！敬鸢浮浚?）qU；（2）；（3）見解析?！窘馕觥俊痉治觥俊驹斀狻浚?）由動能定理可qU=Ek0解得離子第1次加速后獲得的動能為Ek=qU（2）設(shè)第n次加速后離子獲得的速度為vn，則由動能定理可知 設(shè)離子在磁場中偏轉(zhuǎn)的軌道半徑大小為rn，根據(jù)牛頓第二定律可知 聯(lián)立解得同理，第n+1次加速后，離子子啊磁場中偏轉(zhuǎn)的半徑大小為則（3）小明的設(shè)計不科學(xué)，因為它違背了能量守恒定律，永動機不可能制成。實際上，電場并不只是分布在兩極板之間，在極板外，仍然有從M板出發(fā)指向M39。板的電場線，離子在兩極板之外的磁場中運動時，電場力做負功，回到初始位置M板的小孔處時，電場力所做的總功為零，離子速度恢復(fù)為原來的值，離子并不能持續(xù)的加速。11．正、負電子從靜止開始分別經(jīng)過同一回旋加速器加速后，從回旋加速器D型盒的邊緣引出后注入到正負電子對撞機中．正、負電子對撞機置于真空中．在對撞機中正、負電子對撞后湮滅成為兩個同頻率的光子．回旋加速器D型盒中的勻強磁場的磁感應(yīng)強度為，回旋加速器的半徑為R，加速電壓為U；D型盒縫隙間的距離很小，帶電粒子穿過的時間可以忽略不計．電子的質(zhì)量為m、電量為e，重力不計．真空中的光速為c，普朗克常量為h．（1）求正、負電子進入對撞機時分別具有的能量E及正、負電子對撞湮滅后產(chǎn)生的光子頻率v（2）求從開始經(jīng)回旋加速器加速到獲得最大能量的過程中，D型盒間的電場對電子做功的平均功率 （3）圖甲為正負電子對撞機的最后部分的簡化示意圖．位于水平面的粗實線所示的圓環(huán)真空管道是正、負電子做圓周運動的“容器”，正、負電子沿管道向相反的方向運動，在管道內(nèi)控制它們轉(zhuǎn)變的是一系列圓形電磁鐵．即圖中的AAA4……An共有n個，均勻分布在整個圓環(huán)上．每個電磁鐵內(nèi)的磁場都是勻強磁場，并且磁感應(yīng)強度都相同，方向豎直向下．磁場區(qū)域的直徑為d．改變電磁鐵內(nèi)電流大小，就可以改變磁場的磁感應(yīng)強度，從而改變電子偏轉(zhuǎn)的角度．經(jīng)過精確調(diào)整，首先實現(xiàn)電子在環(huán)形管道中沿圖甲中粗虛
外語相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號-1