磁场中讲义的电学仪器

4．一个回旋加速器，当外加电场的频率一时，可以把质 子的速率加速到v，质子所能获得的能量为E，则： ①这一回旋加速器能把α粒子加速到多大的速度？ ②这一回旋加速器能把α粒子加速到多大的能量？ ③这一回旋加速器加速α粒子的磁感应强度跟加速
质子的磁感应强度之比为？
① v =v ② 4E
③ 2∶1
限时训练：
粒子的运动半径=D形盒的半径
D
V=？
U
mv D qB 2
v qBD 2m
问题6：已知D形盒的直径为D，匀强磁场的磁感 应强度为B，交变电压的电压为U， 求:(1)从出口射出时，粒子的动能Ek=?
(2)要增大粒子的最大动能可采取哪些措施?
B
mv D
qB 2
D
V=？
U
EK
1 mv2 2
EK
q2B2D2 8m
为了获得更高能量的带电粒子，人 们又继续寻找新的途径．例如，设 法使交变电源的变化周期始终与粒 子的回旋周期保持一致，于是就出 现了同步回旋加速器．除此之外， 人们还设计制造出多种其它的新型 加速器．目前世界上最大的加速器 已能使质子达到10000亿eV(106MeV) 以上的能量．
美国费米实验室加速器
应在电极上加一个 交电变压。
根据下图，说一说为使带电粒子不断得到 加速，提供的电压应符合怎样的要求？
交变电压的周期TE = 粒子在磁场中运动的周期TB
问题4：回旋加速器加速的带电粒子的 最终能量由哪些因素决定?
观点1：认为电场是用来加速的，磁场是用来回 旋的，最终的能量应与磁场无关。应与电场有关， 加速电压越高，粒子最终能量越高。对吗？
问题7：EK
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
q2B2D2 8m
D越大，EK越大，是不是只要D不断增大， EK 就可以无限制增大呢?
实际并非如此．例如：用这种经典的回旋加速 器来加速粒子，最高能量只能达到20MeV．这 是因为当粒子的速率大到接近光速时，按照相 对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地 增加，从而使粒子的回旋周期也随之变化，这 就破坏了加速器的同步条件．
匀速 加速
进一步改进： 为了简化装置，我们可用一个公用 电源来提供各级的加速电压．
如果我们要加速一带正电的粒子,若电源的 极性保持恒定（始终为A正B负）,你认为 这个粒子能够“一路顺风”,不断加速吗?
为了实现带电粒子的多级加 速，应该采用交变电源，使粒子 进入每一级都能继续加速。并且 电源极性的变化还必须与粒子的 运动配合默契，步调一致，即要 满足同步条件。
问题1：粒子被加速后，运动速率和运动 半径都会增加，它的运动周期会增加吗?
T 2m与v、r无关
qB T不变
问题2：在回旋加速器中，如果两个D型盒 不是分别接在高频交流电源的两极上，而 是接在直流的两极上，那么带电粒子能否 被加速？请在图中画出粒子的运动轨迹。
?
问题3：要使粒子每次经过电场都被加速，
加速器
问题1：用什么方法可以加速带电粒子?
利用加速电场可以加速带电粒子
+ + +
+U
问题2：要使一个带正电粒子获得更大的 速度(能量)?
采用多个电场,使带电粒子多级加速
采用上图进行多级加速,真的可行 吗?有什么问题?如何改进?
改进办法：采用静电屏蔽 可以用金属圆筒代替原来的极板．这样，既可 以在金属圆筒的间隙处形成加速电场，又使得 圆筒内部的场强为零，从而消除了减速电场的 不利影响．
练习（2000理科综合）如图所示．厚度为h，宽度为d的导 体板放在垂直于它的磁感应强度为B的均匀磁场中，当电 流通过导体板时，在导体板的上侧面A和下侧面A’之间会 产生电势差．这种现象称为霍尔效应．实验表明，当磁场 不太强时，电势差U、电流I和B的关系为U=kIB/d
观点2： ∵运动半径最大Rm=mVm/qB,得 Vm=qBRm/m ∴半径最大时，速度也应最大。 ∴带电粒子的运动最大半径等于D形盒的 半径时，粒子的速度达到最大。对吗？
问题5：已知D形盒的直径为D，匀强磁场 的磁感应强度为B，交变电压的电压为U， 求：从出口射出时，粒子的速度v=?
B
解： 当粒子从D形盒出口飞出时，
直线加速器
筒间加速
筒内静电屏蔽
多级直线加速器应具备的条件： ①利用电场加速带电粒子； ②通过多级加速获得高能粒子；
③将加速电场以外的区域静电屏蔽； ④采用交变电源提供加速电压； ⑤电场交替变化与带电粒子运动应满足同步条件．
斯 坦 福 大 学 的 加 速 器
直线加速器占地太大，能不能让它小一点
三、回旋加速器
1、如图示，以质量为m带正电小球，由某一高度处 自由下落一复合场区域内（B、E方向如图示）。，则 下列说法正确的是（ C ） A、可能是直线运动。 B、一定是匀速直线运动 C、一定是曲线运动。 D、可能是匀加速直线运动。
２. 如图所示是一种测量血管中血流速度仪器的示意图，在动脉血管两 侧分别安装电极并加有磁场。设血管直径2.0mm，磁场的磁感应强度为 0.080T，电压表测出的电压为0.10mV，求： 血流速度大小 约为_0_.6_2_5_m/s。
1932年,美国物理学家劳仑斯发明了回旋加 速器，从而使人类在获得具有较高能量的 粒子方面迈进了一大步．为此，劳仑斯荣 获了诺贝尔物理学奖．
三、回旋加速器
1、结构：
① 两个D形盒及两个大磁极
② D形盒间的窄缝
③ 高频交流电
2、原理
用磁场控制轨道、用电场进行加速
交变电压：保证带电粒子每次 经过窄缝时都被加速。
电极
V
N
S
v
5、霍尔效应
B d
I
h
• 霍尔效应这一现象是美国物理学家霍尔 （A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研 究金属的导电机构时发现的。当电流垂直 于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁 场和电流方向的两个端面之间会出现电势 差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差 也被叫做霍尔电势差。
磁场中的电学仪器
精品
探究任务：
1；从受力分析的角度，分析物理过程。
2：从功能关系的角度，分析物理过程。
三、复合场中的物理模型及应用
1、速度选择器
2.质谱仪
3.磁流体发电机
4.回旋加速器
1. 在磁场中做圆周运动,周期不变 2. 每一个周期加速两次 3. 电场变化周期与在磁场中运动的周期相同 4. 电场一个周期中方向变化两次 5. 最大半径与最大速度相对应 6. 电场加速过程中,时间极短,可忽略