第三章专题：质谱仪 回旋加速器 课件 -2022-2023学年高二上学期物理人教版选修3-1

学习目标： 1、掌握洛伦兹力对带电粒子不做功的特点． 2、掌握带电粒子在匀强磁场中的运动轨迹． 3、了解质谱仪和回旋加速器的工作原理． 重、难点： 1、带电粒子的运动分析； 2、洛伦兹力的实际应用. 。 3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动 选修3-1 第三章 磁场 制作者：河南驻马店高级中学 李阳 一、质谱仪 (1)作用：测量质量和分析同位素． (2)构造： ①带电粒子注射器 ②加速电场(U) ③速度选择器(B1、E) ④偏转磁场(B2) ⑤照相底片 (3)原理： 例1、如下图所示为质谱仪的示意图.速度选择器部分的匀强电场场强E=1.2×105 V/m，匀强磁场的磁感应强度B1=0.6 T.偏转分离器的磁感应强度B2=0.8 T.求： （1）能通过速度选择器的粒子速度为多大？ （2）质子和氘核进入偏转分离器后打在照相底片上后条纹之间的距离d为多少？ 例2.下图为一种质谱仪的示意图，由加速电场、静电分析器和磁分析器组成.若静电分析器的通道半径为R，均匀辐射电场的强度为E，磁分析器中有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度为B。问：（1）为了使位于A处电荷量为q、质量为m的离子，从静止开始经加速电场加速后沿图中圆弧虚线通过静电分析器，加速电场的电压U应为多大？（2）离子由P点进入磁分析器后，最终打在乳胶片上的Q点，该点距入射点P多远？（3）若有一群粒子从静止开始通过该质谱仪后落在同一点Q，则该群粒子有什么共同点？ 该群粒子都打在Q点，必有都带正电，且比荷相同. 例3、一台质谱仪的工作原理如图所示，电荷量均为+q、质量不同的离子飘入电压为U0的加速电场，其初速度几乎为零.这些离子经过加速后通过狭缝O沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后打在底片上.已知放置底片区域MN =L，且OM =L。某次测量发现MN中左侧2/3区域MQ损坏，检测不到离子，但右侧1/3区域QN仍能正常检测到离子. 在适当调节加速电压后，原本打在MQ的离子即可在QN检测到。 （1）求原本打在MN中点 P的离子质量m； （2）为使原本打在P的离子 能打在QN区域，求加速电压 U的调节范围； （3）为了在QN区域将原本打 在MQ区域的所有离子检测完整求需要调节U的最少次数。 （取；lg2=0.301,lg3=0.477,lg5=0.699） 二、回旋加速器 (2)作用：获得高能粒子． (1)构造：两个中空的半圆金属盒,盒间存在电势差，盒内有与盒面垂直的匀强磁场. (3)原理：利用电场对带电粒子的加速，磁场实现对运动电荷的偏转，再次进入电场.为了保证带电粒子每次经过狭缝时均被加速，使之能量不断提高，要在狭缝处加一个与粒子在磁场中运动周期相同的交流电压. 周期特征（加速条件）： 最大动能: 即粒子在回旋加速器中获得的最大动能与q、m、B、R有关，与加速电压无关． T电=T磁 运动时间: 例4. 1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示．这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是(　　) A．离子由加速器的中心附近进入加速器 B．离子由加速器的边缘进入加速器 C．离子从磁场中获得能量 D．离子从电场中获得能量 例5. 一回旋加速器D 形盒的最大半径是R=60cm，用它来加速 质量为1.67×10-27kg,电量为1.6×10-19C的电子，要把电子从静止加速到具有4.0×106eV的能量. ①求所需的磁感应强度 ②设两D 形盒间距离为1.0cm，加速电压为2.0×104V，其间 电场是均匀的，求加速到上述能量所需的时间. 例6. 如图为某种离子加速器的设计方案。两个半圆形金属盒内存在相同的垂直于纸面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B，其中MN和是间距为h的两平行极板，极板间存在方向向上的匀强电场，极板上分别由正对的两个小孔O和O'，O'N'=ON=d,P为靶点，O'P=kd（k为大于1的整数）。质量为m、带电量为q的正离子从O点由静止开始加速，经0'进入磁场区域。当粒子打到极板上区域0'N'区域（含点N'）或外壳上时会被吸收，两虚线之间的区域（除极板）无电场和磁场存在，粒子可匀速穿过。忽略相对论效应和离子所受的重力。求： （1）两极板间电压U为多大时，粒 子经过电场仅加速一次后能打到P点； （2）能使粒子打到P点， 两极板间电压U所满足的条件； （3）打到P点的能量最大的离 子在磁场中运动的时间和在电 场中的运动时间 习题课---洛伦兹力的应用 例1.如图所示，虚线圆所围区域内有方向垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B.一束电子沿圆形区域的直径方向以速度v射入磁场，电子束经过磁场区后，其运动方向与原入射方向成θ角．设电子质量为m，电荷量为e，不计电子之间相互作用力及所受的重力．求： (