第1章 课时4 质谱仪与回旋加速器-（课件）2022-2023学年新教材高中物理选择性必修第二册【南方凤凰台·5A新学案】人教版

第一章　安培力与洛伦兹力 课时4　质谱仪与回旋加速器 第1页 第一章　安培力与洛伦兹力 5A新学案 物理 · 选择性必修第二册 必备知识·记忆理解 同位素 AC C 关键能力·分析应用 AC B Thank you for watching 第1页 第一章　安培力与洛伦兹力 5A新学案 物理 · 选择性必修第二册 核心 目标 1. 了解质谱仪和回旋加速器的的基本构造、工作原理及应用． 2. 理解磁偏转与电偏转的特点，能分析带电粒子、带电体在复合场中的运动问题. 要点笔记 要点1　质谱仪 质谱仪是可以把不同的粒子分开、测量带电粒子的质量、计算比荷和分析_______的重要仪器． 1. 容器A中含有大量电荷量相同、而质量有微小差别的带电粒子，从下方小孔S1 飘出时，初速度可认为为零． 2. 某个质量为m、电量为q的带电粒子，经过S1和S2之间电势差为U的电场加速后，由qU＝eq \f(1,2)mv2可求得其从S2射出、又从S3射入沿着与磁场垂直的方向进入磁场的速度为v＝_________. 3. 该粒子在洛伦兹力作用下做圆周运动．由qvB＝eq \f(mv2,r) 可求得其半径r＝eq \f(mv,qB)，代入v即得r＝___________. eq \r(,\f(2qU,m)) eq \f(1,B) eq \r(\f(2mU,q)) 4. 由r的表达式可知，不同质量m的带电粒子将沿不同半径做圆周运动，经过半个圆周打在照相底片D上的不同位置，质量越大的带电粒子半径越大，质量越小的半径越小． 5. 如果已知q、U、B，又测出其半径r，可求得带电粒子的质量m＝eq \f(qB2r2,2U)，或求得其比荷 eq \f(q,m)＝_________.　 6. 对质量有微小差别的同位素，因q相同、m不同，也可区别、分离出来．在底片上形成的若干谱线状的细条，叫做质谱线． eq \f(2U,B2r2) 要点2　回旋加速器 回旋加速器是利用电场对带电粒子加速、利用磁场对带电粒子偏转来获得高能粒子的装置． INCLUDEPICTURE"5A22-XZB2WL145.tif" 　 1. 工作原理： D1和D2是两个中空的半圆金属盒(称为D形盒)，置于真空中．由大型电磁铁产生的磁场垂直于金属盒，使带电粒子在D形盒内做匀速圆周运动．加于两D形盒间的周期性变化的电压，在两盒空隙间产生周期性变化的电场，总能使带电粒子通过时被加速．如此回旋，每经过半个圆周，粒子便加速一次．最后当被加速粒子趋于D形盒边缘时，通过特殊装置将其引出，即获得高能量粒子． 2. 具体分析： 设带电粒子质量为m、电荷量为q，D形盒半径为R，缝隙间电压为U. (1) 为了保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，在窄缝两侧加上的电压的变化周期应跟带电粒子在D形盒中运动的周期相同．即：T电场＝T回旋＝_________，恰好这也是一个定值，技术上可以满足． (2) 带电粒子每经过缝隙一次，获得的动能增量ΔEk ＝qU (3) 由qBv＝meq \f(v2,r)知r＝eq \f(mv,qB)∝v，即带电粒子的回旋半径不断增大，速度也越来越大，能量也越来越大． (4) 带电粒子的最大动能：当回旋半径达到R时，速度最大，能量最大．由qvmB＝meq \f(v\o\al(2,m),R) 得最大动能Ekm＝eq \f(1,2)mveq \o\al(2,m)＝_________ eq \f(2πm,qB) eq \f(q2B2R2,2m) 3．特别提醒： (1) 要提高带电粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R. (2) 能量达到25～30 MeV后就很难再加速了．由狭义相对论可知，粒子的质量随着速度的增大而增大，而质量的变化会导致其回旋的周期的变化，从而破坏了与电场变化的同步． 基础内化 1. (多选)(2022·湖北省高二上期末)回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列方法可行的是( ) A. 增大磁场的磁感应强度 B. 减小狭缝间的距离 C. 增大D形金属盒的半径 D. 增大两D形金属盒间的加速电压 解析：由洛伦兹力提供向心力，可知qvB＝meq \f(v2,R)，计算得出v＝eq \f(qBR,m)，则动能Ek＝eq \f(1,2)mv2＝eq \f(q2B2R2,2m)，可知动能与加速的电压无关，与狭缝间的距离无关，与磁感应强度大小和D形盒的半径有关，增大磁感应强度和D形盒的半径，可以增加粒子的动能，故A、C正确． 2. 用质谱仪研究两种同位