1.4质谱仪与回旋加速器（教学课件）【教学无忧】2022-2023学年高二物理同步精品备课（人教版2019选择性必修第二册）

1.4质谱仪与回旋加速器 人教版（2019）普通高中物理选择性必修第二册同步教学课件 第一章.安培力与洛伦兹力 目录 1 质谱仪 2 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？ 问题 q m 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 新课引入 分开比荷不同的带电粒子的方案思路 方案一 先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示： U0 L y U d m , q 得： （2）再偏转（类平抛运动） 纵向： 横向： （1）先加速由： 得： 由粒子的轨迹方程可知，粒子的轨迹与粒子的性质无关，无法分开比荷不同的粒子。 新课引入 方案二 先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强磁场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示： U0 B m , q （1）先加速由： 得： （2）再偏转(匀速圆周运动） 得： 由粒子的轨道半径表达式可知，比荷不同的带电粒子的半径不同，这种方法可以分开比荷不同的粒子。 新课引入 知识点一：质谱仪 1、质谱仪： 利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。 2、结构及作用 ： ①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子 ②加速电场：使带电粒子获得速度 ③粒子速度选择器：使具有相同速度的粒子进入偏转磁场 ④偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离 ⑤照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 速度选择器 课堂合作探究 知识点一：质谱仪 原理图 加速电场 速度选择器 3、原理： 4、作用： ①可测粒子的质量及比荷 ②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素 加速电场U1： 速度选择器E，B： 偏转磁场B0： m不同，r 就不同 课堂合作探究 知识点二：回旋加速器 要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进行“观察”。然而，原子核被强大的核力约束，只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才能把它“打开”。 为什么要设计粒子加速器？ 问题 问题 如何产生极高能量的粒子？ 各种各样的粒子加速器 课堂合作探究 1.直线加速器 （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： （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． 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： 知识点二：回旋加速器 课堂合作探究 2.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。 知识点二：回旋加速器 课堂合作探究 观察视频 （3）规律： 带电粒子在D形盒中运行的周期： ①加速条件 每过 电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。 知识点二：回旋加速器 课堂合作探究 ②粒子最大动能：（离开半径与D形盒半径相同） （3）规律： 知识点二：回旋加速器 课堂合作探究 ③回旋加速器不可无限加速。 （3）规律： 粒子速度v接近光速c时，质量变大，在磁场中运动周期改变，与交变电场周期不同步。 改进： 知识点二：回旋加速器 课堂合作探究 一. 质谱仪 二. 回旋加速器 1、条件： 2、粒子能量： 3、运动时间： 课堂小结 考点一：质谱仪 典例探究 考点一：质谱仪 典例探究 考点一：质谱仪 【变式训练1】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。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。 典例探究 考点一：质谱仪 【解析】(1) 得： (2) 典例探究 考点二：回旋加速器 典例探究 考点二：回旋加速器 典例探究 考点二：回旋加速器 典例探究 考点二：回旋加速器 典例探究 感谢您的欣赏 Lavf58.29.100 【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