§1.4 质谱仪与回旋加速器-2021-2022学年高二物理同步备课精选课件（人教版2019选择性必修第二册)

§1.4 质 谱 仪 与 回 旋 加 速 器 第一章 安培力与洛伦兹力力 质谱仪 1、质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具 2、基本原理： 将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场，由于粒子动量不同，引起轨迹半径不同而分开，进而分析某元素中所含同位素的种类 3、推导： 粒子初速度为零 粒子经电场加速 【例1】 一个质量为m、电荷量为的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为Ｂ的匀强磁场中，最后打到照相底片D上求： (1)求粒子进入磁场时的速率； (2)求粒子在磁场中运动的轨道半径。 粒子初速度为零 粒子经电场加速 【例2】一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为零，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上。 （1）求粒子进入磁场时的速率。 （2）求粒子在磁场中运动的轨道半径 例题分析 【例2】一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为零，（1）求粒子进入磁场时的速率。 思路引导 粒子在S1S2间做初速度为零的加速运动，电场力做功，可利用动能定理求解 例题分析 【例2】 经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上。 （2）求粒子在磁场中运动的轨道半径 思路引导 粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力 半径不同，意味着比荷不同，意味着它们是不同的粒子 例题分析 1．加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，qU=Ek． 2．直线加速器，多级加速如图所示是多级加速装置的原理图： 加速器 (一)、直线加速器 由动能定理得带电粒子经n极的电场加速后增加的动能为： 3．直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制． 回旋加速器 1．1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内进行多级加速． 2．工作原理： 利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个D形盒和其间的窄缝内完成。 U 回旋加速器 1.在磁场中做圆周运动,周期不变 2.每一个周期加速两次 3.电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同 4.电场一个周期中方向变化两次 5.粒子加速的最大速度由盒的半径决定 6.电场加速过程中,时间极短,可忽略 问题探究 1931年，加利福尼亚大学的劳伦斯斯提出了一个卓越的思想，通过磁场的作用迫使带电粒子沿着磁极之间做螺旋线运动,把长长的电极像卷尺那样卷起来，发明了回旋加速器，第一台直径为27cm的回旋加速器投入运行，它能将质子加速到1Mev。1939年劳伦斯获诺贝尔物理奖。 回旋加速器与人们的生活 (1)磁场的作用： 带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，并在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期和速率、半径均无关，带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场中加速． (2)电场的作用： 回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速． (3)交变电压： 为了保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，须在窄缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压． 带电粒子的最终能量 当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由r =mv/qB得v = rqB/m，若D形盒的半径为R，则带电粒子的最终动能： 所以，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R． 【例3】关于回旋加速器的工作原理，下列说法正确的是： A.电场用来加速带电粒子，磁场则使带电粒子回旋 B.电场和磁场同时用来加速带电粒子 C.同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大动能由加速电压决定 D.同一加速器，对某种确定的粒子，它获得的最大动能由磁感应强度B决定和加速电压决定 答案:A 粒子在电场中做加速运动,在磁场中做圆周运动 粒子获得的最大动能由粒子受到的洛伦兹力提供向心力求解 典例分析 如果尽量增强回旋加速器的磁场或加大D形盒半径，我们是不是就可以使带电粒子获得任意高的能量吗？ 思 考 本课小结 一、带电粒子在磁场中的运动 平行磁感线进入：做匀速直线运动 垂直磁感线进入：做匀速圆周运动 半径：R＝ mv qB 周期：T＝ 2πm qB 二、质谱仪：研究同位素（测荷质比）的