3.6带电粒子在匀强磁场中的运动(第3课时).ppt

第三章磁场 3 6带电粒子在匀强磁场中的运动 1 圆半径r 2 周期T 复习 带电粒子在匀强磁场中的运动 半径r跟速率v成正比 周期T跟圆半径r和速率v均无关 带电粒子垂直射入匀强磁场做匀速圆周运动 洛伦兹力提供向心力 加速器 问题1 用什么方法可以加速带电粒子 利用加速电场可以加速带电粒子 问题2 要使一个带正电粒子获得更大的速度 能量 采用多个电场 使带电粒子多级加速 采用上图进行多级加速 真的可行吗 有什么问题 如何改进 改进办法 采用静电屏蔽可以用金属圆筒代替原来的极板 这样 既可以在金属圆筒的间隙处形成加速电场 又使得圆筒内部的场强为零 从而消除了减速电场的不利影响 加速 匀速 进一步改进 为了简化装置 我们可用一个公用电源来提供各级的加速电压 如果我们要加速一带正电的粒子 若电源的极性保持恒定 始终为A正B负 你认为这个粒子能够 一路顺风 不断加速吗 为了实现带电粒子的多级加速 应该采用交变电源 使粒子进入每一级都能继续加速 并且电源极性的变化还必须与粒子的运动配合默契 步调一致 即要满足同步条件 直线加速器 多级直线加速器应具备的条件 利用电场加速带电粒子 通过多级加速获得高能粒子 将加速电场以外的区域静电屏蔽 采用交变电源提供加速电压 电场交替变化与带电粒子运动应满足同步条件 斯坦福大学的加速器 1932年 美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器 从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步 为此 劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖 三 回旋加速器 1 结构 两个D形盒及两个大磁极 D形盒间的窄缝 高频交流电 三 回旋加速器 2 原理 交变电压 保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速 用磁场控制轨道 用电场进行加速 问题1 粒子被加速后 运动速率和运动半径都会增加 它的运动周期会增加吗 问题2 在回旋加速器中 如果两个D型盒不是分别接在高频交流电源的两极上 而是接在直流的两极上 那么带电粒子能否被加速 请在图中画出粒子的运动轨迹 问题3 要使粒子每次经过电场都被加速 应在电极上加一个电压 交变 交变电压的周期TE 粒子在磁场中运动的周期TB 根据下图 说一说为使带电粒子不断得到加速 提供的电压应符合怎样的要求 问题4 回旋加速器加速的带电粒子的最终能量由哪些因素决定 观点1 认为电场是用来加速的 磁场是用来回旋的 最终的能量应与磁场无关 应与电场有关 加速电压越高 粒子最终能量越高 对吗 观点2 运动半径最大Rm mVm qB 得Vm qBRm m 半径最大时 速度也应最大 带电粒子的运动最大半径等于D形盒的半径时 粒子的速度达到最大 对吗 问题5 已知D形盒的直径为D 匀强磁场的磁感应强度为B 交变电压的电压为U 求 从出口射出时 粒子的速度v 解 当粒子从D形盒出口飞出时 粒子的运动半径 D形盒的半径 问题6 已知D形盒的直径为D 匀强磁场的磁感应强度为B 交变电压的电压为U 求 1 从出口射出时 粒子的动能Ek 2 要增大粒子的最大动能可采取哪些措施 实际并非如此 例如 用这种经典的回旋加速器来加速粒子 最高能量只能达到20MeV 这是因为当粒子的速率大到接近光速时 按照相对论原理 粒子的质量将随速率增大而明显地增加 从而使粒子的回旋周期也随之变化 这就破坏了加速器的同步条件 为了获得更高能量的带电粒子 人们又继续寻找新的途径 例如 设法使交变电源的变化周期始终与粒子的回旋周期保持一致 于是就出现了同步回旋加速器 除此之外 人们还设计制造出多种其它的新型加速器 目前世界上最大的加速器已能使质子达到10000亿eV 106MeV 以上的能量 美国费米实验室加速器 例1 关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述 正确的是 A 电场和磁场都对带电粒子起加速作用B 电场和磁场是交替地对带电粒子做功的C 只有电场能对带电粒子起加速作用D 磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动 CD 例2 质量为m 带电量为q的带电粒子在回旋加速器中央狭缝的正中间由静止释放 在电场加速后进入磁感应强度为B的匀强磁场中做圆周运动 设电场的加速电压为U 则粒子第一次做匀速圆周运动的轨道半径R0 粒子在磁场中的周期T 交变电压的周期T 例3 一回旋加速器 可把质子加速到v 使它获得动能EK 1 能把 粒子加速到的速度为 2 能把 粒子加速到的动能为 3 加速 粒子的交变电场频率与加速质子的交变电场频率之比为 2 交变电场的周期和粒子的运动周期T相同 保证粒子每次经过交变