1.4 质谱仪与回旋加速器（备课堂课件）-【上好课】2020-2021学年高二物理同步备课系列（新教材人教版选择性必修第二册）

第一章 安培力与洛伦兹力 第4节 质谱仪与回旋加速器 在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？ 方案一：带电粒子垂直进入偏转电场 方案二：带电粒子垂直进入偏转磁场 粒子做类平抛运动 粒子做圆周运动 带电粒子垂直进入匀强磁场做圆周运动 洛伦兹力提供向心力 圆周运动半径 如果B、v相同，m不同，则r不同， 这样就可以把不同的粒子分开。 一、质谱仪 阿斯顿 Francis William Aston 阿斯顿设计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20和氖-22，证实了同位素的存在 质谱仪工作原理 要认识原子内部的情况，必须把核“打开”进行“观察” “炮弹”就是极高能量的粒子 产生这些高能“炮弹”的工厂 就是粒子加速器 为什么要设计粒子加速器？ 直线加速器 北京正负电子对撞机 欧洲质子加速器 斯坦福大学的加速器 缺点：占地大 能否设计一款占地小些 的加速器 1932年,美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器，从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步．为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖． 二、回旋加速器 1、结构： ① 两个D形盒及两个大磁极 ② D形盒间的窄缝 ③ 高频交流电 二、回旋加速器 质谱仪工作原理 (1)磁场的作用是什么？粒子在磁场中运动特点？ (2)电场的作用是什么？ (3)为了保证粒子每次经过电场都被加速，对交变电压的周期有什么要求？ (4)带电粒子经过回旋加速器加速后，获得的动能由哪些因素决定？ 1．电场加速： 2．磁场约束偏转： 3．加速条件：高频电源的周期与带电粒子在D形盒中运动的周期相同，即 . 4．最终能量： 可见，要提高加速粒子的最终能量， 应尽可能地增大磁感应强度B和D形盒 的半径R. 质谱仪工作原理 美国费米实验室加速器 正交的匀强电场和匀强磁场 运动电荷v⊥电场E、⊥磁场B v 当粒子v=E/B时，粒子从中心孔射出 与粒子的电性及电量无关 qBv =qE 速度选择器 速度选择器 在电磁场的共同作用下 UAB =Ed=Bdv时达平衡，离子不再偏转 对外供电时UAB =Bdv时达动态平衡 A B R 磁流体发电机 磁流体发电机 选择性必修二P11 磁流体发电机 磁流体发电机 原理：一圆形导管直径为d，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体向左流动. 电磁流量计 霍尔效应 1879年霍尔发现，把一载流导体放在磁场中，如果磁场方向与电流方向垂直，则在与磁场和电流二者垂直的方向上出现横向电势差，这一现象称之为霍耳效应。 稳定时： 设电流强度为I，电荷定向移动速度为V，上下两侧电压为U B I + + + + + + + + L d U ) 1 ( U L BLv L U Bv = = Ee Bev = 霍尔效应 又 （n为单位体积自由电荷数） (2)式代入(1)式 (k为霍耳系数） B I + + + + + + + + L d U 霍尔效应 谢谢大家！ 【例1】　如图为质谱仪原理示意图，电荷量为q、质量为m的带正电的粒子从静止开始经过电压为U的加速电场后进入粒子速度选择器．选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的场强为E、方向水平向右．已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器，从G点垂直MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN为边界、方向垂直纸面向外的匀强磁场．带电粒子经偏转磁场后，最终到达照相底片的H点．可测量出G、H间的距离为L，带电粒子的重力可忽略不计．求： (1)粒子从加速电场射出时速度v的大小； (2)粒子速度选择器中匀强磁场的磁感应 强度B1的大小和方向； (3)偏转磁场的磁感应强度B2的大小． 【解析】　(1)在加速电场中，由qU＝eq \f(1,2)mv2可解得v＝eq \r(\f(2qU,m)). (2)粒子在速度选择器中受到向右的电场力qE，应与洛伦兹力qvB1平衡，故磁场B1的方向应该垂直于纸面向外， 由qE＝qvB1得B1＝eq \f(E,v)＝Eeq \r(\f(m,2qU)). (3)粒子在磁场B2中的轨迹半径r＝eq \f(1,2)L，由r＝eq \f(mv,qB2)得，B2＝eq \f(2,L) eq \r(\f(2mU,q