歡迎進(jìn)入物理課堂 3 6帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 物理新人教版選修3 1 洛倫茲力演示器 一 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 當(dāng)帶電粒子q以速度v垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 它將做什么運(yùn)動(dòng) 帶電粒子將在垂直于磁場(chǎng)的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 速度大小不變 而方向隨時(shí)間變化 周期T與運(yùn)動(dòng)速度及運(yùn)動(dòng)半徑無關(guān) 通過威爾遜云室顯示的正負(fù)電子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)徑跡 通過格雷塞爾氣泡室顯示的帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)徑跡 例題 一個(gè)質(zhì)量為m 電荷量為的粒子 從容器下方的小孔S1飄入電勢(shì)差為 的加速電場(chǎng) 然后經(jīng)過S3沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為 的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中 最后打到照相底片 上求 求粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速率 求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑 質(zhì)譜儀原理分析 1 質(zhì)譜儀是測(cè)量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具 2 基本原理 將質(zhì)量不等 電荷數(shù)相等的帶電粒子經(jīng)同一電場(chǎng)加速再垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng) 由于粒子動(dòng)量不同 引起軌跡半徑不同而分開 進(jìn)而分析某元素中所含同位素的種類 3 推導(dǎo) 1 加速原理 利用加速電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做正功使帶電粒子的動(dòng)能增加 qU Ek 2 直線加速器 多級(jí)加速如圖所示是多級(jí)加速裝置的原理圖 加速器 一 直線加速器 由動(dòng)能定理得帶電粒子經(jīng)n極的電場(chǎng)加速后增加的動(dòng)能為 3 直線加速器占有的空間范圍大 在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制 二 回旋加速器 1 1932年美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器 實(shí)現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)進(jìn)行多級(jí)加速 2 工作原理 利用電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的加速作用和磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的偏轉(zhuǎn)作用來獲得高能粒子 這些過程在回旋加速器的核心部件 兩個(gè)D形盒和其間的窄縫內(nèi)完成 1931年 加利福尼亞大學(xué)的勞倫斯斯提出了一個(gè)卓越的思想 通過磁場(chǎng)的作用迫使帶電粒子沿著磁極之間做螺旋線運(yùn)動(dòng) 把長(zhǎng)長(zhǎng)的電極像卷尺那樣卷起來 發(fā)明了回旋加速器 第一臺(tái)直徑為27cm的回旋加速器投入運(yùn)行 它能將質(zhì)子加速到1Mev 1939年勞倫斯獲諾貝爾物理獎(jiǎng) U 二 回旋加速器 1 磁場(chǎng)的作用 帶電粒子以某一速度垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后 并在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 其周期和速率 半徑均無關(guān) 帶電粒子每次進(jìn)入D形盒都運(yùn)動(dòng)相等的時(shí)間 半個(gè)周期 后平行電場(chǎng)方向進(jìn)入電場(chǎng)中加速 2 電場(chǎng)的作用 回旋加速器的兩個(gè)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形盒正對(duì)截面的勻強(qiáng)電場(chǎng) 帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時(shí)被加速 3 交變電壓 為了保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫時(shí)都被加速 使之能量不斷提高 須在窄縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變電壓 帶電粒子的最終能量 當(dāng)帶電粒子的速度最大時(shí) 其運(yùn)動(dòng)半徑也最大 由r mv qB得v rqB m 若D形盒的半徑為R 則帶電粒子的最終動(dòng)能 所以 要提高加速粒子的最終能量 應(yīng)盡可能增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B和D形盒的半徑R 為什么帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無關(guān) 解析 加速電壓越高 帶電粒子每次加速的動(dòng)能增量越大 回旋半徑也增加越多 導(dǎo)致帶電粒子在D形盒中的回旋次數(shù)越少 反之 加速電壓越低 粒子在D形盒中回旋的次數(shù)越多 可見加速電壓的高低只影響帶電粒子加速的總次數(shù) 并不影響引出時(shí)的速度和相應(yīng)的動(dòng)能 由 可知 增強(qiáng)B和增大R可提高加速粒子的最終能量 與加速電壓高低無關(guān) 小結(jié) 回旋加速器利用兩D形盒窄縫間的電場(chǎng)使帶電粒子加速 利用D形盒內(nèi)的磁場(chǎng)使帶電粒子偏轉(zhuǎn) 帶電粒子所能獲得的最終能量與B和R有關(guān) 與U無關(guān) 如果盡量增強(qiáng)回旋加速器的磁場(chǎng)或加大D形盒半徑 我們是不是就可以使帶電粒子獲得任意高的能量嗎 思考 本課小結(jié) 一 帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 平行磁感線進(jìn)入 做勻速直線運(yùn)動(dòng) 垂直磁感線進(jìn)入 做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 二 質(zhì)譜儀 研究同位素 測(cè)荷質(zhì)比 的裝置 由加速電場(chǎng) 速度選擇器 偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)組成 三 回旋加速器 使帶電粒子獲得高能量的裝置 由D形盒 高頻交變電場(chǎng)等組成 祝同學(xué)們學(xué)習(xí)愉快 再見 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全