1.4.2 洛伦兹力与现代技术-回旋加速器、质谱仪 课件 -2023-2024学年高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第二册

第一章 磁场 粤教版 选择性必修一 第四节 洛伦兹力与现代技术 1 由： 得： 再由： 微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？ 知识回顾 2 新课导入 在粒子物理学的研究中，经常需要高能粒子做为“炮弹”去轰击未知原子，以便“打开”其内部结构。 那如何才能获得需要的高能粒子呢？ U 0 u0 -u0 t T 2T t U ~ ＋ － 多级直线加速器 由动能定理得带电粒子经n级的电场加速后增加的动能为： 电场力。 3 有的长达几十千米，坐落在两个城市之间…… 直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制． 能不能设计一种能实现多次加速，又减少占地空间的加速器呢？ Part 01 回旋加速器 5 一、回旋加速器 1932年劳伦斯研制世界第一台回旋加速器的D型室. 一、回旋加速器 讨论1： 为了保证带电粒子每次到达D形盒缝隙间都能被加速，那D形盒缝隙的电场方向应该是恒定的还是变化的呢？ 交变电压 一、回旋加速器 讨论2： 这个电场变化的周期是恒定的吗？ 你分析的依据是什么呢？ ①带电粒子在D形盒中运行的周期： ②每过 电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。 ③电场的变化周期要等于粒子的运动周期： 一、回旋加速器 讨论3： 在我们讨论带电粒子的回旋时间时，忽略了粒子在缝间的加速时间，为什么可以做这种忽略呢？ 讨论4： 回旋加速器加速不同比荷的带电粒子，是否需要调整变化电场的周期? 一、回旋加速器 讨论5： 某种带电粒子在回旋加速器中被不停的持续加速后，带电粒子的能量能无限增大吗？ 这个最大能量跟加速电压有关吗？ 粒子最大动能： 对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关。 （离开半径与D形盒半径相同） 一、回旋加速器 1. 变化电场 2.条件： 3. 粒子能量： 一、回旋加速器 回旋加速器的特点 1．速度和周期的特点：在回旋加速器中粒子的速度逐渐增大，但粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期T＝始终不变。 2．最大半径及最大速度：粒子的最大半径等于D形盒的半径R＝，所以最大速度vm＝。 3．最大动能及决定因素：最大动能Ekm＝＝，即粒子所能达到的最大动能由磁场B、D形盒的半径R、粒子的质量m及带电量q共同决定，与加速电场的电压无关。 一、回旋加速器 回旋加速器的特点 4．粒子被加速次数的计算：粒子在回旋加速器盒中被加速的次数n＝(U是加速电压大小)，一个周期加速两次。设在电场中加速的时间为t1，缝的宽度为d，则nd＝，t1＝。 5．粒子在回旋加速器中运动的时间：在磁场中运动的时间t2＝T＝，总时间为t＝t1＋t2，因为t1≪t2，一般认为在盒内的时间近似等于t2。 质子回旋加速器 2014年，我国成功研发出世界上第一台100MeV质子回旋加速器，它在国防核科学研究、放射性核素物理研究、肿瘤治疗等领域具有广阔的应用前景。 超导回旋加速器 这是我国最近自主研发成功的超导回旋加速器，质子束能量首次达到231MeV。用于恶性肿瘤、心脑血管等重大疾病的诊断和治疗。 美国费米实验室 目前世界上能量最高的超级粒子同步回旋加速器，直径达2公里左右，能量可达500GeV。 1、(2022·河南宜阳第一高级中学高二期中)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，分别和高频交流电源相连接，两盒间的窄缝中形成匀强电场，使带电粒子每次通过窄缝都得到加速。两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，带电粒子在磁场中做圆周运动，通过两盒间的窄缝时反复被加速，直到达 到最大圆周半径时通过特殊装置被引出。如果用同一回旋加速器 分别加速质子H)和α粒子He)，α粒子的质量是质子的四倍， 电荷量是质子的两倍，则(　　) A．加速质子的交流电源的周期较小，质子获得的最大动能也较小 B．加速质子的交流电源的周期较小，两种粒子获得的最大动能一样大 C．加速质子的交流电源的周期较小，质子获得的最大动能也较大 D．加速质子的交流电源的周期较大，质子获得的最大动能较小 B 课堂练习 2、如图所示，两个处于同一匀强磁场中的相同的回旋加速器，分别接在加速电压为U1和U2的高频交流电源上，且U1>U2，两个相同的带电粒子分别从这两个加速器的中心由静止开始运动，设两个粒子在加速器中运动的时间分别为t1和t2(在盒缝间加速时间忽略不计)，获得的最大动能分别为Ek1和Ek2，则(　　) A．t1<t2，Ek1>Ek2 B．t1＝t2，Ek1<Ek2 C．t1<t2，Ek1＝Ek2 D．t1>t2，Ek1＝Ek2