教師培訓回顧
通過前面的三個系列,我們掌握了粒子在僅受洛倫茲力作用時做圓周運動的分析方法;但是永遠只受洛倫茲力作用嗎?
答案當然是否定的。在接下來的幾篇文章中,我們將專門研究同時涉及電磁場和引力場的復合場問題。
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由電場、磁場和引力場混合而成的復合場有很多:
根據組合的不同,可分為兩類:
根據第一個字段,連續字段可以分為兩類:
今天我們分享電磁學的第一個子案例:加速電磁學
加速電場再進入磁場的最典型代表——回旋加速器,涉及以下5個測試點:
隱藏條件
回旋加速器必須保證交流電每次返回狹縫時電位正好反轉,D型箱內旋轉時間為T/2,一個周期內交流電改變方向兩次;
因此我們有:
但是你有沒有想過:它們必須完全相等嗎?
回顧上面的分析,我們只要保證通過一個D型箱的時間剛好是交流電流改變方向的時間就可以了,所以可以是交流電流的0.5T,1.5T,或者2.5T……
因此我們只要保證磁場周期是電場周期的奇數倍即可。
每個人都知道這種情況,但是測試出具者經常會偷偷更換T磁鐵,以測試讀者是否能自己發現這種隱藏的情況。
例如:
如果用加速質子的回旋加速器來加速α粒子,交流電的頻率f將如何變化?
加速 n 倍后的 v 和 R
注意:
這個計算本身并不難,問題在于問問題的方式:
對比:
問題2:顯然它總共沒有加速n次。那么它總共加速了多少次?
因此,教學中關鍵是培養學生的警惕意識和正確的提問意識。
找到最大速度
最大速度(動能)由粒子和磁場決定,與電場無關
求加速次數N
當最大動能不變時,電場決定加速度的數。
注意:
由于每次從電場中獲得的能量都是一樣的,很多同學會認為圓周運動的半徑也會均勻增加,這是一個典型的錯誤。
從上面得出的結論我們可以知道:
每次加速前后半徑的差為:
這個差別越來越小,因此,回旋加速器內粒子的軌跡圓之間的距離,從內到外,越來越小,即:
圓形軌跡從內到外變得越來越密集
找到總運動 t
根據不同的主題可以分為以下兩類:
(1)忽略狹縫間距d
總運動時間是在 D 箱內進行圓周運動所需的時間:
(2)計算狹縫間距d
總的運動時間可以分為兩部分,在電場中運動的時間和在磁場中運動的時間。
如果把電場穿過狹縫的過程首尾相連放在一起,就是一個勻速加速直線運動,總位移為Nd,最大速度為v。所以在電場中運動的時間為:
總的鍛煉時間自然是兩部分的總和:
光說不練只是一種伎倆,我們來看看在考試中如何運用它。
案例演示:
如圖所示,回旋加速器內已知B、R、U,α粒子質量為m,電荷為q,從中心S處開始靜止加速留學之路,經過若干次后從盒子邊緣引出。
如何操作:
結論:
加速電磁的常見情況證明起來并不困難,學生基本可以掌握完整的推導高中物理電場與磁場,關鍵在于對容易犯的錯誤進行解釋。包括:循環之間的關系高中物理電場與磁場,第n次進入盒子的問題,軌跡越來越密的原因。這些深入的分析結合原著的廣度,可以展現我物理的嚴謹之美。
下一期預覽:
《高中物理--磁場系統與方法分享(五)偏轉電磁學》
關于作者
徐繼躍,19歲高考(新標準卷)物理滿分;24歲成為新東方千人教師培訓師;30歲前成為全國培訓行業第一品牌萬師物理產品負責人,善于站在別人的角度思考問題,總結學生的問題;用學生的語言帶領聽眾輕松遨游物理的海洋。