高中物理選修新課標(biāo)人教版選修3-1第三章36帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動學(xué)案(編輯修改稿)
2024-12-25 23:11 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 加r B B U m q 2 1 ? 圖 6 速，速率增加到 v2，如此繼續(xù)下去，每當(dāng)粒子運(yùn)動到 A1A′、 A3A3＇ 等處時都使它受到向上電場的加速，每當(dāng)粒子運(yùn)動到 A2′A A4′A4 等處時都使它受到向下電場的加速，粒子將沿著圖示的螺線 A0A1 A1′A2′A2……回旋下去，速率將一步一步地增大。 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動的 周期 T＝ 2π mqB ，跟運(yùn)動速率和軌道半徑無關(guān)，對一定的帶電粒子和一定的磁場來說，這個周期是恒定的。因此，盡管粒子的速率和半徑一次比一次增大，運(yùn)動周期 T 卻始終不變，這樣，如果在直線 AA、 A′A′處造成一個交變電場，使它以相同的周期 T 往復(fù)變化，那就可以保證粒子每經(jīng)過直線 AA 和 A′A′時都正好趕上適合的電場方向而被加速。 ③磁場的作用 帶電粒子以某一速度垂直磁場方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場時，只在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動，其中周期和速率與半徑無關(guān)，使帶電粒子每次進(jìn)入 D 形盒中都能運(yùn)動相等時間（半個周期） 后，平行于電場方向進(jìn)入電場中加速。 ④電場的作用 回旋加速器的兩個 D形盒之間的窄縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩 D形盒直徑的勻強(qiáng)電場，加速就是在這個區(qū)域完成的。 ⑤交變電壓 為了保證每次帶電粒子經(jīng)過狹縫時均被加速，使之能量不斷提高，要在狹縫處加一個與粒子運(yùn)動的周期一致的的交變電壓 T 電 ＝ 2π mqB 。 ⑥回旋加速器的核心 回旋加速器的核心部分是兩個 D形的金屬扁盒 ， 如圖所示。 這兩 個 D 形盒就像是沿著直徑把一個圓形的金屬扁盒切成的兩半 。 兩個 D 形盒之間留一個窄縫，在中心附近放有粒子源 。 D 形盒裝在真空 容器中，整個裝置放在巨大電磁鐵的兩極之間，磁場方向垂直于 D 形盒的底面 。 把兩個 D 形盒分別接在高頻電源的兩極上，如果高頻電源的周期與帶電粒子在D 形盒中的運(yùn)動周期相同，帶電粒子就可以不斷地被加速了 。 帶電粒子在 D 形盒內(nèi)沿螺線軌道逐漸趨于盒的邊緣，達(dá)到預(yù)期的 速率后，用特殊裝置把它們引出 。 D 形金屬扁盒的主要作用是起到靜電屏蔽作用，使得盒內(nèi)空間的電場極弱，這樣就可以使運(yùn)動的粒子只受洛倫茲力的作用做勻速圓周運(yùn)動。 在加速區(qū)域中也有磁場，但由于加速區(qū)間距離很小，磁場對帶電粒子的加速過程的影響很小，因此，可以忽略磁場的影響。 設(shè) D 形盒的半徑為 R，由 qvB＝ mv2R得，粒子可能獲得的最大動能 Ekm＝12mvm2＝ (qBR)22m 可見：帶電粒子獲得的最大能量與 D 形盒半徑有關(guān)，由于受 D 形盒半徑 R的限制，帶電粒子在這種加速器中獲得的能量也是有限的。 ⑦ 回旋加速器的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)：
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