1932年美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，巧妙地利用帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，解決了粒子的加速問(wèn)題．現(xiàn)在回旋加速器被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)設(shè)備中．

某型號(hào)的回旋加速器的工作原理如圖甲所示，圖為俯視圖乙．回旋加速器的核心部分為D形盒，D形盒裝在真空容器中，整個(gè)裝置放在巨大的電磁鐵兩極之間的強(qiáng)大磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)可以認(rèn)為是勻強(qiáng)在場(chǎng)，且與D形盒盒面垂直．兩盒間狹縫很小，帶電粒子穿過(guò)的時(shí)間可以忽略不計(jì)．D形盒半徑為R，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B．設(shè)質(zhì)子從粒子源A處時(shí)入加速電場(chǎng)的初速度不計(jì)．質(zhì)子質(zhì)量為m、電荷量為+q．加速器接一定涉率高頻交流電源，其電壓為U．加速過(guò)程中不考慮相對(duì)論效應(yīng)和重力作用．
（1）求質(zhì)子第1次經(jīng)過(guò)狹縫被加速后進(jìn)入D形盒運(yùn)動(dòng)軌道的半徑r1；
（2）求質(zhì)子從靜止開始加速到出口處所需的時(shí)間t；
（3）如果使用這臺(tái)回旋加速器加速α粒子，需要進(jìn)行怎樣的改動(dòng)？請(qǐng)寫出必要的分析及推理．
【答案】分析：（1）根據(jù)動(dòng)能定理求出粒子第一次加速后進(jìn)入磁場(chǎng)的速度，然后根據(jù)求出粒子在磁場(chǎng)中的軌道半徑．
（2）不考慮粒子在電場(chǎng)中的時(shí)間，根據(jù)求出最大速度，粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期被加速兩次，根據(jù)求出粒子被加速的圈數(shù)，從而求出質(zhì)子從靜止開始加速到出口處所需的時(shí)間t．
（3）回旋加速器正常工作時(shí)高頻電壓的頻率必須與粒子回旋的頻率相同．，質(zhì)子換成α粒子，比荷發(fā)生變化，則在磁場(chǎng)中回旋的頻率變化，所以若直接使用，讓回旋磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度加倍或讓加速高頻電壓的頻率減半．
解答：解析：（1）設(shè)質(zhì)子第1次經(jīng)過(guò)狹縫被加速后的速度為v1
    ①
    ②
聯(lián)立①②解得：
（2）設(shè)質(zhì)子從靜止開始加速到出口處被加速了n圈，質(zhì)子在出口處的速度為v
      ③
         ④
           ⑤
t=nT                ⑥
聯(lián)立③④⑤⑥解得      
（3）回旋加速器正常工作時(shí)高頻電壓的頻率必須與粒子回旋的頻率相同．設(shè)高頻電壓的頻率為f，則
當(dāng)加速α粒子時(shí)α粒子的比荷為質(zhì)子比荷的2倍，
，所以不用直接使用．                  
改動(dòng)方法一：讓回旋磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度加倍．          
改動(dòng)方法二：讓加速高頻電壓的頻率減半．
點(diǎn)評(píng)：解決本題的關(guān)鍵知道回旋加速器是利用電場(chǎng)加速，磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)來(lái)加速粒子，回旋加速器正常工作時(shí)高頻電壓的頻率必須與粒子回旋的頻率相同．
練習(xí)冊(cè)系列答案
相關(guān)習(xí)題

科目：高中物理 來(lái)源： 題型：閱讀理解

材料一：在現(xiàn)代物理學(xué)中，為了深入到原子核內(nèi)部，進(jìn)一步研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和相互作用的規(guī)律，人們用能量很高的帶電粒子去轟擊各種原子核，觀察它們的變化情況.早期制成的加速器就是利用高壓電源的電勢(shì)差來(lái)加速帶電粒子的.這種類型的加速器受到實(shí)際所能達(dá)到的電勢(shì)差的限制，粒子獲得的能量并不太高.1932年美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋粒子加速器.如圖所示，下圖為回旋粒子加速器的工作原理圖，AA′間有一交變電場(chǎng)，在中心A0處有粒子源，以一定的初速度v0垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間到達(dá)A1時(shí)，在A1A1′處受到電場(chǎng)的加速，速率增加到v1.粒子以速率v1在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，又經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，到達(dá)A2′，在A2′A2處粒子又一次受到電場(chǎng)的加速，速率增加到v2.如此繼續(xù)下去，每當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)到AA′間時(shí)，速率都將一步一步地增大.

材料二：根據(jù)愛因斯坦的狹義相對(duì)論觀點(diǎn)，相對(duì)論的質(zhì)量速率公式：m=

其中m0表示物體靜止時(shí)的質(zhì)量，m表示物體以速率v運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量，c表示光速，若質(zhì)點(diǎn)的速率遠(yuǎn)小于光速，則m→m0，質(zhì)量保持不變，回到牛頓經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn).

根據(jù)以上材料回答問(wèn)題：

(1)為了保證帶電粒子在回旋加速器中如圖所示的那樣不斷被加速，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)周期T1與交變電場(chǎng)的周期T2之間的關(guān)系為_____________.

(2)在20世紀(jì)30年代末發(fā)現(xiàn)，這種回旋加速器加速質(zhì)子時(shí)，最高能量?jī)H能達(dá)到20 MeV，要想進(jìn)一步提高質(zhì)子的速度很困難，這是因?yàn)開________________________________________.

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