【物理】5.6《洛倫茲力與現(xiàn)代科技》精品課件(新人教版選修3-1).ppt

洛倫茲力與現(xiàn)代科技 一 運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 F洛 0勻速直線運(yùn)動(dòng) F洛 Bqv勻速圓周運(yùn)動(dòng) F洛 Bqv 等距螺旋 0 90 在只有洛侖茲力的作用下 一 運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 垂直磁場(chǎng)方向 T 2 m qB平行磁場(chǎng)方向 螺距d 2 mcos qB 人類對(duì)速度的渴望從未停止過 經(jīng)過前輩們的不懈研究探索 光速幸運(yùn)地成為了我們世界的極限速度 但單就目前人類的科技水平 想要在宏觀世界中接近或達(dá)到光速就好比是天方夜譚 不過在微觀世界中 由于回旋加速器的出現(xiàn) 粒子已經(jīng)能被加速到很高的速度 因此 回旋加速器被廣泛應(yīng)用于科研 醫(yī)療等諸多方面 且隨著人們需求的增加 可以加速多種粒子的加速器也應(yīng)運(yùn)而生 超靈敏小型回旋加速器 二 回旋加速器 直線加速器 二 回旋加速器 原理 帶電粒子受電場(chǎng)力作用 當(dāng)場(chǎng)力對(duì)粒子做正功 使其獲得高能量缺點(diǎn) 電壓不可能無限提高 特別是裝置的耐壓程度有一定的限制 占有得空間范圍大 回旋加速器 回旋加速器是利用磁場(chǎng)使帶電粒子作回旋運(yùn)動(dòng) 在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)高頻電場(chǎng)反復(fù)加速的裝置 回旋加速器的主要結(jié)構(gòu)是在磁極間的真空室內(nèi)有兩個(gè)半圓形的金屬扁盒 D形盒 隔開相對(duì)放置 D形盒上加交變電壓 其間隙處產(chǎn)生交變電場(chǎng) 置于中心的粒子源產(chǎn)生帶電粒子射出來 受到電場(chǎng)加速 在D形盒內(nèi)不受電場(chǎng) 僅受磁極間磁場(chǎng)的洛倫茲力 在垂直磁場(chǎng)平面內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng) 如果D形盒上所加的變交電壓的頻率恰好等于粒子在磁場(chǎng)中作圓周運(yùn)動(dòng)的頻率 則粒子繞行半圈后正趕上D形盒上極性變號(hào) 粒子仍處于加速狀態(tài) 由于上述粒子繞行半圈的時(shí)間與粒子的速度無關(guān) 因此粒子每繞行半圈受到一次加速 繞行半徑增大 經(jīng)過很多次加速 粒子沿螺旋形軌道從D形盒邊緣引出 能量可達(dá)幾十兆電子伏特 MeV 那么如何使交變電壓的頻率恰好等于粒子在磁場(chǎng)中作圓周運(yùn)動(dòng)的頻率就是回旋加速器要解決的主要問題 運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中所受的洛侖茲力為 F Bqv帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力為 F mv2 R將兩式聯(lián)立得 mv2 R BqvR mv Bq則粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期為 T 2 R vT 2 m Bq由此可見 粒子運(yùn)動(dòng)的周期與其速度 半徑是無關(guān)的 我們只要每隔半個(gè)周期調(diào)整兩極板間的電壓方向 就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶電粒子的不斷加速 這也是為什么要使用交流電的原因 工作原理 交變電壓的周期 帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期T 2 m Bq 設(shè)粒子被引出D形盒前最后半周的軌道半徑為R 則帶電粒子從加速器飛出時(shí)的速度為Vmax BqR m 引出速度只與磁感強(qiáng)度和D形盒半徑有關(guān) 與加速電壓無關(guān) 因?yàn)榧铀匐妷褐挥绊憥щ娏Ｗ蛹铀俚目偞螖?shù) 不過根據(jù)狹義相對(duì)論原理 粒子的質(zhì)量隨速度的增大而增大 如果加于D形盒兩極的交變電場(chǎng)頻率不變的話 粒子由于每次遲到一點(diǎn)而不能保證總被加速 上述回旋加速的理論就不再適用了 對(duì)于同樣的動(dòng)能 質(zhì)量愈小的粒子速率愈大 相對(duì)論效應(yīng)也愈顯著 因此回旋加速器更適用于加速較重的粒子 但其速率始終不能無限制的提高 三 質(zhì)譜儀 電場(chǎng)和磁場(chǎng)都能對(duì)帶電粒子施加影響 電場(chǎng)既能使帶電粒子加速 又能使帶電粒子偏轉(zhuǎn) 磁場(chǎng)雖不能使帶電粒子速率變化 但能使帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn) 質(zhì)譜儀 利用磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的偏轉(zhuǎn) 由帶電粒子的電荷量 軌道半徑確定