高中物理 第5章 磁场与回旋加速器 5.6 洛伦兹力与现代科技教案 沪科版选修3-1-沪科版高二选修3-1物理教案VIP专享VIP免费

5.6洛伦兹力与现代科技1．回旋加速器的原理使带电粒子(例如电子、质子、α粒子等)获得高能量的设备就是加速器。回旋加速器：它由两个正对的D形扁盒组成，两D形扁盒之间有一个狭缝，置于真空中，两狭缝间加高频交流电压。垂直于D形盒平面加匀强磁场。D形金属扁盒屏蔽了外电场，确保盒内带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动。预习交流1同一种带电粒子以不同的速度垂直磁场边界、垂直磁感线射入匀强磁场中，其运动轨迹如图所示，则可知：(1)带电粒子进入磁场的速度值有几个？(2)这些速度的大小关系为________。(3)三束粒子从O点出发分别到达1、2、3点所用时间关系为__________。答案：(1)同一种带电粒子进入同一磁场，速度不同使轨道半径不同，故带电粒子进入磁场的速度值有三个。(2)r1＜r2＜r3，由r＝，得v1＜v2＜v3。(3)周期T1＝T2＝T3，轨迹均为半圆，所用时间为半个周期，故时间关系为t1＝t2＝t3。2．质谱仪是一种分析各化学元素的同位素和测量带电粒子质量的精密仪器。预习交流2如图所示，空间有磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场，一束电子流以速度v从水平方向射入，为了使电子流经过磁场时不偏转(不计重力)，则在磁场区域内必须同时存在一个匀强电场，这个电场的场强的大小和方向应是。A．B/v，竖直向上B．B/v，方向水平向左C．Bv，竖直向下D．Bv，竖直向上答案：C一、回旋加速器在现代物理学中，人们为探索原子核内部的构造，需要用能量很高的带电粒子去轰击原子核。美国物理学家劳伦斯于1932年发明了回旋加速器，巧妙地利用较低的高频电源对粒子多次加速使之获得巨大能量。那么回旋回速器的工作原理是什么呢？答案：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个D形盒和其间的窄缝内完成，如图所示。(1)磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，并在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期和速率、半径均无关(T＝)，带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间(半个周期)后平行电场方向进入电场中加速。(2)电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速。(3)交变电压：为了保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，须在窄缝两侧加上跟带电粒子在D形盒的磁场中运动周期相同的交变电压。回旋加速器是用来加速一群带电粒子使它获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属扁盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接，以便在盒间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每穿过狭缝都得到加速，两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rmax，其运动轨迹如图，问：(1)盒内有无电场？(2)粒子在盒内做何种运动？(3)所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？(4)粒子离开加速器时速度为多大，最大动能为多少？(5)设两D形盒间电场的电势差为U，盒间距离为d，其电场均匀，求加速到上述能量所需时间。答案：见解析解析：(1)扁盒由金属导体制成，具有屏蔽外电场作用，盒内无电场。(2)带电粒子在盒内做匀速圆周运动，每次加速之后半径变大。(3)粒子在电场中运动时间极短，因此高频交流电压频率要等于粒子回旋频率，因为T＝，回旋频率f＝＝，角速度ω＝2πf＝。(4)设粒子最大回旋半径为Rmax，则由牛顿第二定律得qvmaxB＝，故vmax＝，最大动能Emax＝mv＝∝R。(5)粒子每旋转一周增加能量2qU。提高到Emax，则旋转周数n＝在磁场中运动的时间t磁＝nT＝·＝若忽略粒子在电场中运动时间，t磁可视为总时间，若考虑粒子在电场中运动时间，在D形盒两窄缝间的运动可视为初速度为零的匀加速直线运动。2n·d＝t，所以t电＝，将n＝代入得：t电＝所以粒子在加速过程中的总时间t总＝t电＋t磁＝，通常t电≪t磁(因为d≪Rmax)。回旋加速器把带电粒子在电场和磁场中的应用综合起来，也就把力学电学融为一体。同时，带电粒子在回旋加速器中加速，其最大速度取决于D形盒的半径和磁感应强度的大小，与加速电压无直接关系。二、质谱仪...