《2025年金版教程高中新课程创新导学案高中物理选择性必修第二册人教版》

探究2 回旋加速器
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。


师生互动
活动1：研究原子核内部情况时，要用极高能量的粒子轰击原子核。如何增加带电粒子的动能？______________________________
活动2：产生过高的电压在技术上很困难，经过一次加速粒子增加的能量有限。如何才能使带电粒子获得极高的能量？______________________________
活动3：在图甲所示的多级加速器中，各加速区的两板之间用独立电源供电，所以粒子从P₂飞向P₃、从P₄飞向P₅……时不会减速。这种加速器有什么缺点？______________________________
活动4：为了克服上述缺点，人们进一步思考，如果带电粒子在一次加速后又转回来被第二次加速，如此往复“转圈圈”式地被加速，加速器装置所占的空间就会大大缩小。什么能使带电粒子“转圈圈”？______________________________
活动5：人们依据上述思路设计出了用磁场控制轨道、用电场进行加速的回旋加速器，如图乙所示，其中粒子源位于A处。试阐述回旋加速器的原理。______________________________
活动6：图乙中假如粒子每两次经过盒缝的时间间隔[指粒子经过半圆轨道所用的时间。盒缝宽度远小于盒半径（图乙夸大了缝的宽度），粒子通过盒缝的时间可以忽略]相同，控制两盒间电势差的正负变换是比较容易的。但是粒子运动越来越快，也许粒子走过半圆的时间间隔越来越短，这样两盒间电势差的正负变换就要越来越快，从而造成技术上的一个难题。实际情况是这样吗？______________________________

答案： 活动1:提示:由于库仑力能对带电粒子做功,故可用电场对带电粒子加速,从而增加粒子的动能。活动2:提示:用电场对带电粒子多次加速。活动3:提示:由于粒子在加速过程中的径迹为直线,要得到较高动能的粒子,其加速装置要很长。活动4:提示:磁场能使带电粒子“转圈圈”。活动5:提示:图乙回旋加速器A处的粒子源产生的带电粒子,在两盒之间被电场加速。两个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场B中,所以粒子在磁场中做匀速圆周运动。经过半个圆周之后,当它再次到达两盒间的缝隙时,控制两盒间的电势差,使其恰好改变正负,于是粒子经过盒缝时再一次被加速。如此,粒子在做圆周运动的过程中一次一次地经过盒缝,而两盒间的电势差一次一次地改变正负,粒子的速度就能够增加到很大。活动6:提示:带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期$T = \frac{2\pi m}{qB}$。对一定的带电粒子和一定的磁场来说,这个周期是不变的,尽管粒子的速率和半径一次比一次大,运动周期却始终不变。这样,如果在两盒间加一个交变电场,使它也以同样的周期往复变化,那就可以保证粒子每经过电场时,都正好赶上适合的电场方向而被加速。