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《帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)》
電子速度的大小和磁感應(yīng)強(qiáng)度可以分別通過電子槍的加速電壓和勵(lì)磁線圈的電流來調(diào)節(jié)。
一、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)
帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),它所受的洛倫茲力總與速度方向垂直,洛倫茲力在速度方向沒有分量,所以洛倫茲力不改變帶電粒子速度的大小,或者說,洛倫茲力不對(duì)帶電粒子做功,不改變粒子的能量。
由于粒子速度的大小不變,所以粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中所受洛倫茲力的大小也不改變,加之洛倫茲力總與速度方向垂直,正好起到了向心力的作用。所以,沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入磁場(chǎng)的帶電粒子,在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。
在粒子物理學(xué)的研究中,可以讓粒子通過“云室”“氣泡室”等裝置,顯示它們的徑跡。
【例1】一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子,從容器A下方的小孔S1飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng),其初速度幾乎為0,然后經(jīng)過S3沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,最后打到照相底片D上。
(1)求粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度。
(2)求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。
【例2】如圖所示,半徑為r的圓形空間內(nèi),存在著垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng),一個(gè)帶電粒子(不計(jì)重力),從A點(diǎn)以速度v0垂直磁場(chǎng)方向射入磁場(chǎng)中,并從B點(diǎn)射出,∠AOB=120°,則該帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為___________
二、回旋加速器
由于粒子在加速過程中的徑跡為直線,其加速裝置要很長很長。人們進(jìn)一步思考,如果帶電粒子在一次加速后又轉(zhuǎn)回來被第二次加速,如此往復(fù)“轉(zhuǎn)圈圈”式地被加速,而磁場(chǎng)正好能解決這個(gè)問題,于是,人們依據(jù)這個(gè)思路設(shè)計(jì)出了用磁場(chǎng)控制軌道、用電場(chǎng)進(jìn)行加速的回旋加速器。
回旋加速器的工作原理:D1和D2是兩個(gè)中空的半圓金屬盒,它們之間有一定的電勢(shì)差U。A處的粒子源產(chǎn)生的帶電粒子,在兩盒之間被電場(chǎng)加速。兩個(gè)半圓盒處于盒面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中,所以粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過半個(gè)圓周之后,當(dāng)它再次到達(dá)兩盒間的縫隙時(shí),控制兩盒間的電勢(shì)差,使其恰好改變正負(fù),于是粒子經(jīng)過盒縫時(shí)再一次被加速。如此,粒子在做圓周運(yùn)動(dòng)的過程中一次一次地經(jīng)過盒縫,而兩盒間的電勢(shì)差一次一次地反向,粒子的速度就能夠增加到很大。
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王老師
女,中教高級(jí)職稱
一直擔(dān)任高中物理的教學(xué)工作,有清晰的理性思維,豐富的高考備考經(jīng)驗(yàn),教學(xué)方式嚴(yán)謹(jǐn)、活潑。