回旋加速器原理和考点分析.doc

回旋加速器原理和考点分析作者：丑佳丽 黑龙江省铁力职业教育中心学校【内容摘要】 回旋加速器的原理和意义，并利用原理解决相关问题。增大加速电压或微粒的核质比增大，能使一个带电粒子获得很大的速度(能量), 但所占的空间范围大。能不能在较小的范围内实现多级加速呢？因此人们创造出回旋加速器。回旋加速器的构造：两个D形金属盒，粒子源，半径为RD,大型电磁铁，高频振荡交变电压U.回旋加速器是产生大量高能量的带电粒子的实验设备交变电压的周期与带电粒子做匀速圆周运动的周期相等。高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中运动的周期相同是加速条件。回旋加速器的优点是体积小,缺点是粒子的能量不会很高。高频考点：回旋加速器中的D形金属盒，它的作用是静电屏蔽。带电粒子从电场中获得能量。做题过程中注意应用公式推导和运算。【关键词】 带电粒子 加速 回旋加速器一、如何能使带电粒子在较小的范围内实现多级加速图1？1如何使一个带电的微粒获得速度（能量）？由动能定理 2.如何使一个带电粒子获得很大的速度(能量)?拓展：如: 增大加速电压；使微粒的核质比增大，等等。3.带电粒子一定，即q/m一定，要使带电粒子获得的能量增大，可采取什么方法？4.实际所加的电压，能不能使带电粒子达到所需要的能量？（不能）怎么办？图2多级加速:带电粒子增加的动能为分析：方法可行，但所占的空间范围大。能不能在较小的范围内实现多级加速呢？因此人们创造出回旋加速器。二、 回旋加速器的原理和考点图3回旋加速器（1）回旋加速器的构造：两个D形金属盒，粒子源，半径为RD,大型电磁铁，高频振荡交变电压U. （2）用途：回旋加速器是产生大量高能量的带电粒子的实验设备 (3 ) 原理：a.电场加速： b.磁场约束偏转：， 1 C加速条件：高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中运动的周期相同，即： （4）高频考点：(1) 回旋加速器中的D形金属盒，它的作用是静电屏蔽.(2) 回旋加速器最后使粒子得到的最大速度：，（R为D形盒半径）, 最大动能：Emax= 2(3)交变电压的周期与带电粒子做匀速圆周运动的周期相等： (4) M和N间的加速电场很窄,可忽略加速时间.故粒子在回旋加速器中运动时间为:，, 带电粒子在电场中的时间不能忽略：, ， , 或者 (5) 回旋加速器的优点是体积小,缺点是粒子的能量不会很高.按照狭义相对论,当粒子速度接近光速时,质量变大,则圆周运动的周期发生变化,粒子就不会总是赶上加速电场,这破坏了回旋加速器的工作条件.三、经典例题例1（2008广东物理卷第4题）1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是（ ）3A离子由加速器的中心附近进入加速器B离子由加速器的边缘进入加速器 C离子从磁场中获得能量D离子从电场中获得能量【解析】根据回旋加速器的原理可知，离子由加速器的中心附近进入加速器，选项A正确B错误；离子从电场中获得能量，选项C错误D正确。【标准答案】AD例2.东城区1（18分）回旋加速器是用来加速带电粒子的装置，如图所示。它的核心部分是两个D形金属盒，两盒相距很近（缝隙的宽度远小于盒半径），分别和高频交流电源相连接，使带电粒子每通过缝隙时恰好在最大电压下被加速。两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒面，带电粒子在磁场中做圆周运动，粒子通过两盒的缝隙时反复被加速，直到最大圆周半径时通过特殊装置被引出。若D形盒半径为R，所加磁场的磁感应强度为B。设两D形盒之间所加的交流电压的最大值为U，被加速的粒子为粒子，其质量为m、电量为q。粒子从D形盒中央开始被加速（初动能可以忽略），经若干次加速后，粒子从D形盒边缘被引出。求：（1）粒子被加速后获得的最大动能Ek；（2）粒子在第n次加速后进入一个D形盒中的回旋半径与紧接着第n+1次加速后进入另一个D形盒后的回旋半径之比；（3）粒子在回旋加速器中运动的时间；（4）若使用此回旋加速器加速氘核，要想使氘核获得与粒子相同的动能，请你通过分析，提出一个简单可行的办法。东城区参考答案例2（18分）（1）粒子在D形盒内做圆周运动，轨道半径达到最大时被引出，具有最大动能。设此时的速度为v，有 （1）可得,粒子的最大动能Ek=（4分）,（2）粒子被加速一次所获得的能量为qU，粒子被第n次和n+1次加速后的动能分别为 （2）（3）,可得（5分）,（3）设粒子被电场加速的总次数为a，则Ek=（4）,可得a （5）,粒子在加速器中运动的时间是粒子在D形盒中旋转a个半圆周的总时间t。（6）, （7）, 解得（5分）,（4）加速器加速带电粒子的能量为Ek=，由粒子换成氘核，有，则，即磁感应强度需增大为原来的倍；高频交流电源的周期，由粒子换为氘核时，交流电源的周期应为原来的倍。 【参考文献】 1张维善 高中物理选修3-1教科书 人民教育出版社 2007.1 ；2彭前程 高中