磁场中的电学仪器

夏邑第一高级中学分校探究任务：1；从受力分析的角度，分析物理过程。2：从功能关系的角度，分析物理过程。三、复合场中的物理模型及应用1、速度选择器2.质谱仪3.磁流体发电机4.回旋加速器1. 在磁场中做圆周运动 ,周期不变2. 每一个周期加速两次3. 电场变化周期与在磁场中运动的周期相同4. 电场一个周期中方向变化两次5. 最大半径与最大速度相对应6. 电场加速过程中 ,时间极短 ,可忽略加速器问题 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+U+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 ?改改 进办进办 法：采用静法：采用静 电电 屏蔽屏蔽可以用金属可以用金属 圆圆 筒代替原来的极板筒代替原来的极板 这样这样 ，既可，既可以在金属以在金属 圆圆 筒的筒的 间间 隙隙 处处 形成加速形成加速 电场电场 ，又使得，又使得圆圆 筒内部的筒内部的 场场 强强 为为 零，从而消除了减速零，从而消除了减速 电场电场 的的不利影响不利影响加速加速匀速匀速进一步改进：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电源极性的变化还必须与粒子的运动配合默契，步调一致运动配合默契，步调一致 ， 即要满足 同步条件同步条件 。直线加速器直线加速器多级直线加速器应具备的条件：筒间加速筒间加速筒内静电屏蔽筒内静电屏蔽 利用 电场加速电场加速 带电粒子； 通过 多级加速多级加速 获得高能粒子； 将加速电场以外的区域 静电屏蔽静电屏蔽 ； 采用 交变电源交变电源 提供加速电压； 电场交替变化与带电粒子运动应满足 同步条件同步条件 斯坦福大学斯坦福大学的加速器的加速器直线加速器占地太大，能不能让它小一点直线加速器占地太大，能不能让它小一点1932年 ,美国物理学家劳仑斯发明了 回旋加回旋加速器速器 ， 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、回旋加速器三、回旋加速器1、结构、结构 ： 两个两个 D形盒及两个大磁极形盒及两个大磁极 D形盒间的窄缝形盒间的窄缝 高频交流电高频交流电三、回旋加速器三、回旋加速器2、原理、原理交变电压：保证带电粒子每次交变电压：保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速。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 周期会增加吗周期会增加吗 ?问题问题 2： 在回旋加速器中，如果两个 D型盒不是分别接在 高频交流电源高频交流电源 的两极上，而是接在 直流直流 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。交变交变交变电压的周期交变电压的周期 TE = 粒子在磁场中运动的周期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 电场是用来加速的电场是用来加速的 ， 磁场是用来回磁场是用来回旋的旋的 ，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。电压越高，粒子最终能量越高。 对吗？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 最大半径等于最大半径等于 D形盒的形盒的半径半径 时 ，粒子的速度达到最大。 对吗？问题问题 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=?DV=？UB 解：解：当粒子从当粒子从 D形盒出口飞出时，形盒出口飞出时，粒子的运动半径粒子的运动半径 =D形盒的半径形盒的半径问题问题 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 ?DV=？UB问题问题 7：D越大， EK越大，是不是只要 D不断增大， EK 就可以无限制增大呢 ?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对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地增加增加 ，从而使 粒子的回旋周期也随之变化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)以上的能量美国美国 费米实验室加速器费米实验室加速器4 一个回旋加速器，当外加电场的频率一时，可以把质子的速率加速到 v，质子所能获得的能量为 E，则： 这一回旋加速器能把 粒子加速到多大的速度？ 这一回旋加速器能把 粒子加速到多大的能量？ 这一回旋加速器加速 粒子的磁感应强度跟加速 质子的磁感应强度之比为？=v 4E 21 限时训练：1、如图示，以质量为 m带正电小球，由某一高度处自由下落一复合场区域内（ B、 E方向如图示）。，则下列说法正确的是（ ）A、可能是直线运动。 B、一定是匀速直线运动C、一定是曲线运动。 D、可能是匀加速