帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動-回旋加速器上課用

1、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動 如何獲得高能粒子呢？如何獲得高能粒子呢？通過電場使帶電粒子加速 + -電場加速粒子帶來的問題電場加速粒子帶來的問題一般情況下我轟擊原子核需要的粒子的能一般情況下我轟擊原子核需要的粒子的能量很高，也就是說需要一個高速的粒子。量很高，也就是說需要一個高速的粒子。由由可知所需粒子速度越高，則加速電壓就越高可知所需粒子速度越高，則加速電壓就越高mqUvmvqU2212猜想：多個電場加速猜想：多個電場加速一級一級 二級二級 三級三級 n級級+ - + - + - + -早期的加速器只能使帶電粒子在高壓電場中加速一或早期的加速器只能使帶電粒子在高壓電場

2、中加速一或兩次，因而粒子所能達(dá)到的能量受到高壓技術(shù)的限制。兩次，因而粒子所能達(dá)到的能量受到高壓技術(shù)的限制。而且為了使帶電粒子達(dá)到很高的速度，必然要經(jīng)過多而且為了使帶電粒子達(dá)到很高的速度，必然要經(jīng)過多次加速，因此直線加速器得體積通常都較大次加速，因此直線加速器得體積通常都較大直線加速器直線加速器世界最大直線加速器：斯坦福大學(xué)直線加速器 2英里長的直線加速管2英里長的直線加速管多級直線加速器缺點(diǎn)：1加速裝置很長，占地面積大；2造價很高。三、三、回旋加速器回旋加速器1932年美國科學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加器，巧妙地應(yīng)用帶電粒子在磁場中運(yùn)動特點(diǎn)解決了這一問題。為此，勞倫斯于1939年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎

3、。直線加速器的缺點(diǎn)：直線加速器的缺點(diǎn)：體積通常較大，體積通常較大， 構(gòu)造：D形盒、強(qiáng)電磁鐵、交流電源、粒子源、導(dǎo)出裝置 用途：給粒子加速獲得高能粒子回旋加速器演示回旋加速器演示受力與運(yùn)動分析D形盒內(nèi)(電場被屏蔽）粒子只受洛倫茲力作用，做勻速圓周運(yùn)動，運(yùn)動周期不變兩盒狹縫之間兩盒狹縫之間不考慮磁場的影響，只考慮電場力作用，不考慮磁場的影響，只考慮電場力作用，粒子在電場力作用下做加速運(yùn)動。粒子在電場力作用下做加速運(yùn)動。電場作用：給帶電粒子加速；電場作用：給帶電粒子加速；磁場作用：使帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)；磁場作用：使帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)；加速條件：加速條件：交流電的周期和帶電粒子在磁交流電的周期和帶電粒子在

4、磁 場中的圓周運(yùn)動的周期相等。場中的圓周運(yùn)動的周期相等。1、帶電粒子在兩、帶電粒子在兩D形盒中回旋周期等于兩盒狹縫之間高頻電形盒中回旋周期等于兩盒狹縫之間高頻電場的變化周期，粒子每經(jīng)過一個周期，被電場加速多少次？場的變化周期，粒子每經(jīng)過一個周期，被電場加速多少次？2、設(shè)加速電壓為、設(shè)加速電壓為U，粒子的電量為，粒子的電量為q，則，則每次加速增加的動能為每次加速增加的動能為 qUKE 探究一：粒子在回旋加速器中探究一：粒子在回旋加速器中運(yùn)動時間運(yùn)動時間3、若粒子的電量為、若粒子的電量為q，最終能量為，最終能量為E，加速電壓為，加速電壓為U，則回旋，則回旋 圈數(shù)為圈數(shù)為4、若每次加速時的電壓為、若

5、每次加速時的電壓為U，將帶電粒子在狹縫之間的運(yùn)動，將帶電粒子在狹縫之間的運(yùn)動首尾連接起來可看成什么運(yùn)動？首尾連接起來可看成什么運(yùn)動？一個初速度為零的勻加速直線運(yùn)動一個初速度為零的勻加速直線運(yùn)動探究探究在D形盒中回旋時間為分析：設(shè)質(zhì)子最終速度為v，加速次數(shù)為nnRt2= nT/2 =vt1 =2ndvndv/2t1t2=2d R由于由于R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于d，故可忽略粒，故可忽略粒子在電場中運(yùn)動時間子在電場中運(yùn)動時間比較：比較：結(jié)論：粒子在加速器中運(yùn)動總時間為結(jié)論：粒子在加速器中運(yùn)動總時間為 t總總 = nT/2，n為加為加速次數(shù)速次數(shù)在電場中加速時間為分析；對于同一回旋加速器，其粒子回旋的最大半

6、徑分析；對于同一回旋加速器，其粒子回旋的最大半徑是相同的（是相同的（回旋的最大半徑等于回旋的最大半徑等于D形盒的半徑形盒的半徑），設(shè)），設(shè)最大半徑為最大半徑為R，最終能量為，最終能量為E。mRqBmvEqBmv221R2222由最大半徑得：結(jié)論：粒子的最終能量與加速電壓無關(guān)，與結(jié)論：粒子的最終能量與加速電壓無關(guān)，與回旋的最大半徑有關(guān)。加速電壓的高低只會回旋的最大半徑有關(guān)。加速電壓的高低只會影響加速次數(shù)，并不影響加速后的最大動能影響加速次數(shù)，并不影響加速后的最大動能探究二：粒子最終能量探究二：粒子最終能量思考：粒子的最終能量與加速電壓有關(guān)嗎？思考：粒子的最終能量與加速電壓有關(guān)嗎？1、加速電場的周

7、期等于回旋周期（交流電源的頻率、加速電場的周期等于回旋周期（交流電源的頻率等于粒子做勻速圓周運(yùn)動的頻率。等于粒子做勻速圓周運(yùn)動的頻率。2、粒子在電場中運(yùn)動時間遠(yuǎn)小于在磁場中運(yùn)動的時、粒子在電場中運(yùn)動時間遠(yuǎn)小于在磁場中運(yùn)動的時間，故粒子在回旋加速器中運(yùn)動總時間可認(rèn)為等于間，故粒子在回旋加速器中運(yùn)動總時間可認(rèn)為等于在磁場中運(yùn)動時間。在磁場中運(yùn)動時間。4、在粒子的質(zhì)量、電荷量確定的情節(jié)下，粒子所能、在粒子的質(zhì)量、電荷量確定的情節(jié)下，粒子所能達(dá)到的最大動能只與達(dá)到的最大動能只與D形盒的半徑形盒的半徑R和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，與加速電壓有關(guān)，與加速電壓U無關(guān)。無關(guān)。3、粒子做勻速圓周運(yùn)動的最大半

8、徑為、粒子做勻速圓周運(yùn)動的最大半徑為D形盒的半徑形盒的半徑 為了把帶電粒子加速到更高的為了把帶電粒子加速到更高的能量，人們還設(shè)計了各種類型的新能量，人們還設(shè)計了各種類型的新型加速器，如：同步加速器、電子型加速器，如：同步加速器、電子感應(yīng)加速器、串列加速器、電子對感應(yīng)加速器、串列加速器、電子對撞機(jī)等。撞機(jī)等。世界著名粒子加速器世界著名粒子加速器 馬克馬克II號探測器號探測器 退役的斯坦福直線對撞器的臂退役的斯坦福直線對撞器的臂 對撞器實(shí)驗(yàn)大廳對撞器實(shí)驗(yàn)大廳 歐洲同步輻射歐洲同步輻射加速器（左圖加速器（左圖) ) 大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)有史以來人為的最高能量粒子位于日內(nèi)瓦郊區(qū)瑞士與法國邊界地下的

9、27公里長環(huán)形隧道中。歐洲粒子物理研究中心歐洲粒子物理研究中心(CERN)(CERN)建造中的粒子加速器（左圖）粒子加速器的透視圖粒子加速器的透視圖北京正負(fù)電子對撞北京正負(fù)電子對撞機(jī)：能使電子束能機(jī)：能使電子束能量達(dá)到量達(dá)到3GeV左右左右美國費(fèi)米加速器實(shí)驗(yàn)室 歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）是世界上最大的粒子加速器，建于瑞士和法國邊境地區(qū)地下100米深處的環(huán)形隧道中，隧道全長26.659公里。大型強(qiáng)子對撞機(jī)2003年開始修建，將近80個國家和地區(qū)的2000多名科學(xué)家參與這一研究項(xiàng)目。 人類對于未知世界的人類對于未知世界的探索，從未也永遠(yuǎn)不會有探索，從未也永遠(yuǎn)不會有止境。在浩瀚的知識海洋止境。在浩瀚的知識海洋中，還有中，還有很多未知的島嶼等很多未知的島嶼等著我們。著我們。動能：1.9210-12J次數(shù)6.0102頻率：7.6106Hz 例例2：關(guān)于回旋加速器中電場和磁場的作用的敘述，正：關(guān)于回旋加速器中電場和磁場的作用的敘述，正確的是確的是( )A、電場和磁