課程內(nèi)容
《帶電粒子在勻強磁場中的運動》
電子速度的大小和磁感應(yīng)強度可以分別通過電子槍的加速電壓和勵磁線圈的電流來調(diào)節(jié)。
一、帶電粒子在勻強磁場中的運動
帶電粒子在磁場中運動時,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,所以粒子在勻強磁場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,沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子,在勻強磁場中做勻速圓周運動。
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飄入電勢差為U的加速電場,其初速度幾乎為0,然后經(jīng)過S3沿著與磁場垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中,最后打到照相底片D上。
(1)求粒子進(jìn)入磁場時的速度。
(2)求粒子在磁場中運動的軌道半徑。
【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磁場,一個帶電粒子(不計重力),從A點以速度v0垂直磁場方向射入磁場中,并從B點射出,∠AOB=120°,則該帶電粒子在磁場中運動的時間為___________
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,而磁場正好能解決這個問題,于是,人們依據(jù)這個思路設(shè)計出了用磁場控制軌道、用電場進(jìn)行加速的回旋加速器。
回旋加速器的工作原理:D1和D2是兩個中空的半圓金屬盒,它們之間有一定的電勢差U。A處的粒子源產(chǎn)生的帶電粒子,在兩盒之間被電場加速。兩個半圓盒處于盒面垂直的勻強磁場B中,所以粒子在磁場中做勻速圓周運動。經(jīng)過半個圓周之后,當(dāng)它再次到達(dá)兩盒間的縫隙時,控制兩盒間的電勢差,使其恰好改變正負(fù),于是粒子經(jīng)過盒縫時再一次被加速。如此,粒子在做圓周運動的過程中一次一次地經(jīng)過盒縫,而兩盒間的電勢差一次一次地反向,粒子的速度就能夠增加到很大。