第4课 质谱仪与回旋加速器（课件）-2022-2023学年高二物理同步精品课堂（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 1 　　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？ 分开比荷不同的带电粒子的方案 猜想一： 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 （1）先加速 （2）再偏转（类平抛运动） 由 得： 纵向： 横向： 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。 分开比荷不同的带电粒子的方案 猜想二： 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： （1）先加速 （2）再偏转(匀速圆周运动） 由 得： 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。 U0 B m , q 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：以相同速度进入偏转磁场 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 3.原理： 经加速电场获得速度： 经速度选择器时速度为： 在偏转磁场中： 由于粒子的荷质比不同，则做圆周运动的半径也不同，因此打到不同的位置。 原理图 加速电场 速度选择器 质谱仪 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 3、作用：质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具 【例1】 一个质量为 1.67×10 -27 kg、电荷量为 1.6×10 -19 C 的带电粒子，以 5×10 5 m/s 的初速度沿与磁场垂直的方向射入磁感应强度为 0.2 T 的匀强磁场。求： （1）粒子所受的重力和洛伦兹力的大小之比； （2）粒子在磁场中运动的轨道半径； （3）粒子做匀速圆周运动的周期。 解 ：（1）粒子所受的重力 G＝mg ＝1.67×10 -27 ×9.8 N 　　　　　　　　　　　　　 ＝1.64×10 -26 N 所受的洛伦兹力 F＝qvB＝1.6×10 -19 ×5×10 5 ×0.2 N 　　　　　　　　　 　 ＝ 1.6×10 -14 N 重力与洛伦兹力之比 G／F＝1.64×10 -26 ／1.6×10 -14 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ＝1.03×10 -12 可见，带电粒子在磁场中运动时，洛伦兹力远大于重力，重力作用的影响可以忽略。 例题分析 （2）带电粒子所受的洛伦兹力为　F ＝ qvB 　　 洛伦兹力提供向心力，故　 qvB＝mv 2／r 　　 由此得到粒子在磁场中运动的轨道半径 　　　　　r＝mv／qB 　　　　　 ＝1.67×10 -27 ×5×10 5／1.6×10 -19 ×0.2m 　　　　　 ＝2.61×10 -2 m （3）粒子做匀速圆周运动的周期 　　 T＝2πr／v＝2πm ／qB 　　　　　　　 ＝2×3.14×1.67×10 -27／1.6×10 -19 ×0.2 s 　　　　　　　 ＝3.28×10 -7 s 例题分析 例题分析   AD 　【例２】   C 小试牛刀 １. 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． 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对带电粒子进行多级加速。 劳伦斯 第一台回旋加速器 原理图 接高频 电源 狭缝 原理图 粒子源 （二）回旋加速器 加速器 2、工作原理： ①带电粒子在D形盒中运行的周期： ②每过 电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。 ③电场的变化周期要等于粒子的运动周期： 1.在磁场中做圆周运动,周期不变 2.每一个周期加速两