课件：回旋加速器.ppt

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1、磁场的几个实际应用磁场的几个实际应用一、回旋加速器一、回旋加速器在现代物理学中为了进一步研究物质的微在现代物理学中为了进一步研究物质的微观结构，需要用能量很高的粒子来轰击原观结构，需要用能量很高的粒子来轰击原子核。为了使带电粒子获得如此高的能量，子核。为了使带电粒子获得如此高的能量，就必须设计一个能给粒子加速的装置就必须设计一个能给粒子加速的装置加速器加速器问题问题1 1：用什么方法可把带电粒子加速呢？：用什么方法可把带电粒子加速呢？问题问题2 2：带电粒子电荷、质量一定，要使它：带电粒子电荷、质量一定，要使它获得的能量增加可采用什么方法呢？获得的能量增加可采用什么方法呢？问题问题3 3：单靠

2、增加电压不能达到所需的动能，：单靠增加电压不能达到所需的动能，要使动能增加该怎么办呢？要使动能增加该怎么办呢？问题问题4 4：多级加速方法可行，但所占的空间：多级加速方法可行，但所占的空间太大，能不能在较小的空间范围内实现多太大，能不能在较小的空间范围内实现多级加速呢？级加速呢？早在早在19321932年，美国物理学家劳伦斯就年，美国物理学家劳伦斯就发明了这种装置发明了这种装置回旋加速器。从回旋加速器。从而使人类在获得较高能量的粒子方面而使人类在获得较高能量的粒子方面迈了一大步，为此，劳伦斯获得了诺迈了一大步，为此，劳伦斯获得了诺贝尔物理奖。贝尔物理奖。1.结构：结构：2.工作原理：工作原理：

3、（1）电场的作用：加速）电场的作用：加速（2）磁场的作用：使粒子的速度方）磁场的作用：使粒子的速度方向改变向改变思考：思考：1.1.电场方向始终不变，粒子将怎么运动？电场方向始终不变，粒子将怎么运动？2.2.再进入电场，电场方向应该怎样加较好？再进入电场，电场方向应该怎样加较好？3.3.若两个磁场磁感应强度相同，在两个磁场中若两个磁场磁感应强度相同，在两个磁场中的运动时间是否相同？的运动时间是否相同？4.4.若忽略粒子在电场中运动的时间，电场方向若忽略粒子在电场中运动的时间，电场方向变化的周期应该为多少？变化的周期应该为多少？5.5.粒子在半径一定（为粒子在半径一定（为R R）的加速器中加速）

4、的加速器中加速获得的最大速度与什么因素有关？与电场的获得的最大速度与什么因素有关？与电场的电压、磁场的磁感应强度是否有关？电压、磁场的磁感应强度是否有关？R R越大，越大，B B越大，粒子获得的能量越大，粒子获得的能量E E越大。越大。E E与加速电压与加速电压U U无关无关回旋加速器回旋加速器扩展扩展1 1、带电粒子在两、带电粒子在两D D形盒中回形盒中回旋周期等于两盒狭缝之间高旋周期等于两盒狭缝之间高频电场的变化周期，粒子每频电场的变化周期，粒子每经过一个周期，被电场加速经过一个周期，被电场加速几次？几次？2 2、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径

5、就增大一次，一次，每次增加的动能为多少？每次增加的动能为多少？所有各次半径之比为多少？所有各次半径之比为多少？3 3、若忽略带电粒子在电场中若忽略带电粒子在电场中运动时间，如何求粒子在加运动时间，如何求粒子在加速器中运动的总时间速器中运动的总时间t t？4.4.若考虑带电粒子在电场中运动时间，如何求粒子若考虑带电粒子在电场中运动时间，如何求粒子在电场中的运动时间在电场中的运动时间t电电？将带电粒子在将带电粒子在D D形盒两缝隙间的运动首尾连接起来可形盒两缝隙间的运动首尾连接起来可视为是一个初速度为零的匀加速直线运动，有：视为是一个初速度为零的匀加速直线运动，有：可求出可求出t电电。t总=t电电

6、+t磁磁二、质谱仪二、质谱仪13例：例：（20012001年全国理综）年全国理综）下图是测量带电粒子质量的仪下图是测量带电粒子质量的仪器工作原理示意图，设法使某有机化合物的气态分子导器工作原理示意图，设法使某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器入图中所示的容器A A中，使它使受到电子束轰击，失去中，使它使受到电子束轰击，失去一个电子变成为正一价的分子离子。一个电子变成为正一价的分子离子。分子离子从狭缝分子离子从狭缝s s1 1以很小的速度进入电压以很小的速度进入电压U U的加速电场的加速电场区（初速不计），加速后，再通过狭缝区（初速不计），加速后，再通过狭缝s s2 2、s s3 3 射入磁

7、感射入磁感强度为强度为B B的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQPQ。最。最后，分子离子打到感光片上，形成垂直于纸面且平行于后，分子离子打到感光片上，形成垂直于纸面且平行于狭缝狭缝s s3 3的细线，若测得细线到狭缝的细线，若测得细线到狭缝s s3 3的距离为的距离为d d，导出分，导出分子离子的质量子离子的质量m m的表达式。的表达式。PAd UBS1S2S3感光片感光片 14磁流体发电机、电磁流量计、霍尔效应（磁强计）磁流体发电机、电磁流量计、霍尔效应（磁强计）磁流体发电机磁流体发电机进入磁场的粒子带正、负电荷进入磁场的粒子带正、负电荷当当Eq=BqvE

8、q=Bqv时两板间电势差达到最大时两板间电势差达到最大电磁流量计电磁流量计流动的导电液体含有正、负离子流动的导电液体含有正、负离子U=BdvU=Bdv流量指单位时间内流过的体积：流量指单位时间内流过的体积：Q=SvQ=Sv当液体内的自由电荷所受电场力与洛仑兹力当液体内的自由电荷所受电场力与洛仑兹力相等时，相等时，a a、b b间的电势差稳定。间的电势差稳定。霍尔效应（磁强计）霍尔效应（磁强计）导体中通过电流时，在运动的电荷为电子，导体中通过电流时，在运动的电荷为电子，带负电；带负电；当电子所受电场力与洛仑兹力相等时，导体当电子所受电场力与洛仑兹力相等时，导体上、下侧电势差稳定。上、下侧电势差稳

9、定。练习：为监测某化工厂的污水排放量，技术人员在该练习：为监测某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计。该装置由厂的排污管末端安装了如图所示的流量计。该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为绝缘材料制成，长、宽、高分别为a a、b b、c c，左右两端，左右两端开口。在垂直于上下底面方向加磁感应强度大小为开口。在垂直于上下底面方向加磁感应强度大小为B B的的匀强磁场，在前后两个内侧面分别固定有金属板作为匀强磁场，在前后两个内侧面分别固定有金属板作为电极。污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表电极。污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压将显示

10、两个电极间的电压U U。若用。若用Q Q表示污水流量（单表示污水流量（单位时间内排出的污水体积），下列说法中正确的是位时间内排出的污水体积），下列说法中正确的是 A A若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高B B若污水中负离子较多，则前表面比后表面电势高若污水中负离子较多，则前表面比后表面电势高C C污水中离子浓度越高电压表的示数将越大污水中离子浓度越高电压表的示数将越大 D D污水流量污水流量Q Q与与U U成正比成正比QBabc【课外练习课外练习】：图为一种获得高能粒子的装置。环行区域内存在垂直纸面向：图为一种获得高能粒子的装置。环行区域内存在

11、垂直纸面向外的、大小可调节的均匀磁场。质量为外的、大小可调节的均匀磁场。质量为m，电量为，电量为+q的粒子在环中做半径为的粒子在环中做半径为R的圆周运动。的圆周运动。A、B为两块中心开有小孔的极板。原来电势都为零，每当粒子为两块中心开有小孔的极板。原来电势都为零，每当粒子飞经飞经A板时，板时，A板电势升高为板电势升高为+U，B板电势仍保持为零，粒子在两板间的电场板电势仍保持为零，粒子在两板间的电场中得到加速。每当粒子离开中得到加速。每当粒子离开B板时，板时，A板电势又降为零。粒子在电场中一次次板电势又降为零。粒子在电场中一次次加速下动能不断增大，而半径不变。加速下动能不断增大，而半径不变。（1）t=0时粒子静止在时粒子静止在A板小孔处，在电场力作用下加速，并绕行第一圈。求板小孔处，在电场力作用下加速，并绕行第一圈。求 粒子绕行粒子绕行n圈回到圈回到A板时获得的总动能板时获得的总动能EK总总（2）为使粒子始终保持在半径为）为使粒子始终保持在半径为R的圆轨道上运动，求粒子绕行第的圆轨道上运动，求粒子绕行第n圈时的磁圈时的磁 感应强度感应强度Bn（3）求粒子绕行）求粒子绕行n圈所需的总时间圈所需的总时间tn（设极板间距远小于（设极板间距远小于R）AA +UB 0BO+U