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1、UV0V1如何使电子获得较大能量？2、带电粒子在电场中运动情况设加速电压为U，电子经加速后增加的能量是多少？第1页/共26页Umq一级二级三级UUUn级粒子获得的能量：E=nqU多级加速匀速直线运动加速运动第2页/共26页 在现代物理学中，人们要用能量很高的带电粒子去轰击各种原子核，观察它们的变化情况。怎样才能在实验室大量产生高能量的带电粒子呢？这里介绍一种常用的实验设备-加速器引入新课第3页/共26页金属圆筒内场强为零，粒子在圆筒内做匀速直线运动，在圆筒间缝间做加速运动。一、直线加速器Why?如图所示，直线加速器是使粒子在一条直线装置上被加速.第4页/共26页 电源为交流电源，当离子在各筒内
2、穿过的时间都为t=T/2时，离子才有可能每次通过圆筒间缝隙都被加速.思考第5页/共26页早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一或两次，因而粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。而且为了使带电粒子达到很高的速度，必然要经过多次加速，因此直线加速器得体积通常都较大直线加速器第6页/共26页世界最大直线加速器：斯坦福大学直线加速器 第7页/共26页2英里长的直线加速管2英里长的直线加速管第8页/共26页二、回旋加速器能不能建造一种加速器，在较小的空间范围内让粒子受到多次加速获得所需要的能量呢？1932年美国科学家劳伦斯发明了回旋加器，巧妙地应用带电粒子在磁场中运动特点解决了这一问题。为此，劳伦
3、斯于1939年获得了诺贝尔物理学奖。直线加速器的缺点：体积通常较大，占地面积大。第9页/共26页第10页/共26页回旋加速器第11页/共26页受力与运动分析D形盒内(电场被屏蔽）粒子只受洛伦兹力作用，做匀速圆周运动，运动周期不变两盒狭缝之间不考虑磁场的影响，只考虑电场力作用，粒子在电场力作用下做加速运动。第12页/共26页1、带电粒子在两D形盒中回旋周期等于两盒狭缝之间高频电场的变化周期，粒子每经过一个周期，被电场加速多少次？2、设加速电压为U，粒子的电量为q，则每次加速增加的动能为 探究一：粒子在回旋加速器中运动时间3、若粒子的电量为q，最终能量为E，加速电压为U，则回旋 圈数为4、若每次加
4、速时的电压为U，将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接起来可看成什么运动？一个初速度为零的匀加速直线运动探究第13页/共26页5、D形盒的半径为R，两盒间距为d，质子在电场中加速次数与回旋半周的次数相同，加速电压大小可视为不变，比较：质子在电场中的加速时间与质子在D形盒中运动时间在D形盒中回旋时间为分析：设质子最终速度为v，加速次数为nnRt2=nT/2=vt1=2ndvndv/2t1t2=2d R由于R远远大于d，故可忽略粒子在电场中运动时间比较：结论：粒子在加速器中运动总时间为 t总=nT/2，n为加速次数在电场中加速时间为第14页/共26页分析；对于同一回旋加速器，其粒子回旋的最大半径是相同
5、的（回旋的最大半径等于D形盒的半径），设最大半径为R，最终能量为E。结论：粒子的最终能量与加速电压无关，与回旋的最大半径有关。加速电压的高低只会影响加速次数，并不影响加速后的最大动能探究二：粒子最终能量思考：粒子的最终能量与加速电压有关吗？第15页/共26页小结：回旋加速器1、加速电场的周期等于回旋周期（交流电源的频率等于粒子做匀速圆周运动的频率。2、粒子在电场中运动时间远小于在磁场中运动的时间，故粒子在回旋加速器中运动总时间可认为等于在磁场中运动时间。4、在粒子的质量、电荷量确定的情节下，粒子所能达到的最大动能只与D形盒的半径R和磁感应强度B有关，与加速电压U无关。3、粒子做匀速圆周运动的最
6、大半径为D形盒的半径第16页/共26页回旋加速器的局限性 若D形盒的半径为R，则粒子所能获得的最大速度为Vmax=BRq/m。为了使粒子获得较高的能量，通常要加大加速电磁铁的重量和D形盒的直径。不过由于相对论的效应，当粒子的速度太大时，m不再是常量，从而回旋共振周期将随粒子的速率的增长而增长，如果加于D形盒两极的交变电场频率不变的话，粒子由于每次迟到一点而不能保证总被加速，所以粒子不能无限被加速。回旋加速器加速粒子能量最高仅能达到20MeV。而对于直线多级加速器，由于粒子是在一条直线形装置上被加速的，不存在上述困难。这种多级装置在过去没有条件建造，现在已经建造出来，长达几公里至几十分里，可将粒
7、子的能量加速到2000GeV。第17页/共26页 为了把带电粒子加速到更高的能量，人们还设计了各种类型的新型加速器，如：同步加速器、电子感应加速器、串列加速器、电子对撞机等。世界著名粒子加速器第18页/共26页北京正负电子对撞机：能使电子束能量达到3GeV左右第19页/共26页美国费米加速器实验室第20页/共26页 欧洲大型强子对撞机（LHC）是世界上最大的粒子加速器，建于瑞士和法国边境地区地下100米深处的环形隧道中，隧道全长26.659公里。大型强子对撞机2003年开始修建，将近80个国家和地区的2000多名科学家参与这一研究项目。第21页/共26页 人类对于未知世界的探索，从未也永远不会
8、有止境。在浩瀚的知识海洋中，还有很多未知的岛屿等着我们。第22页/共26页思考题：回旋加速器D形盒中央为质子流，D形盒间的交变电压为U2104V，静止质子经电场加速后，进入D形盒，其最大轨道半径R1m，磁场的磁感应强度B0.5T，质子的质量m1.671019C。问：（1）质子经回旋加速器最后得到的动能是多大？共加速了多少次？（2）交变电源的频率是多大？动能：1.9210-12J次数6.0102频率：7.6106Hz第23页/共26页 例2：关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正确的是()A、电场和磁场都对带电粒子起加速作用B、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的C、只有电场能对带电粒子起加速
9、作用D、磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动CD第24页/共26页1212 例1：串列加速器是用来产生高能离子的装置。图中虚线框内为其主体的原理示意图，其中加速管的中部b处有很高的正电势U，a、c两端均有电极接地（电势为零）。现将速度很低的负一价碳离子从a端输入，当离子到达处时，可被设在处的特殊装置将其电子剥离，成为n价正离子，而不改变其速度大小。这些正n价碳离子从c端飞出后进入一与其速度方向垂直的、磁感应强度为B的匀强磁场中，在磁场中做半径为R的圆周运动。已知碳离子的质量为m=2.010-26kg，U=7.5105V，B=0.50T，n=2，基元电荷e=1.610-19C，求R。解：设碳离子到达b处时的速度为v1 从c端射出时的速度为v2，由动能定理得：eU=mv12/2，neU=mv22/2 mv12/2，进入磁场后，碳离子做圆周运动，R=mv2/Bne，得 =0.75m abc加速管加速管abC 加速管 加速管第25页/共26页感谢您的观看。第26页/共26页