内容正文:
第一章 安培力与洛伦兹力
1.4质谱仪与回旋加速器
选修二 第一章 第三节
2019人教版高中物理
【课标呈现】了解带电粒子在匀强磁场中的运动及其应用
【学习目标】
1.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。
2.经历两种仪器工作原理的推导过程,体会逻辑推理的思维方法。
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?
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设计实验方案:如何分离不同比荷的带电粒子?
一束带电粒子经电场加速后,在磁场中偏转。
(1)带电粒子从静止开始经电场加速,求出电场时的速度。
(2)带电粒子偏转磁场中做什么运动?轨道半径为多大?
(3) 你会求粒子在偏转磁场中的偏转距离吗?
(4) 你能得出得粒子的比荷和质量表达式吗?
经电场加速
得:
由:
x = 2 r
比荷:
质量:
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弗朗西斯•阿斯顿
一、质谱仪
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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。是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。
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偏转磁场:使不同带电粒子偏转分离
④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
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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
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。
由粒子质量公式可知,如果带电粒子的电荷量相同,质量有微小差别,就会打在照相底片上的不同位置,出现一系列的谱线,不同质量对应着不同的谱线,叫作质谱线。
一、质谱仪
在偏转电场中,带电粒子的偏转距离为 x = 2 r
比荷:
质量:
由:
得:
得:
由:
经电场加速
得:
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例1(指向目标1、2)如图所示,一束带电粒子以一定的初速度沿直线通过由相互正交的匀强磁场(磁感应强度为B)和匀强电场(电场强度为E)组成的速度选择器,然后通过狭缝P进入另一匀强磁场(磁感应强度为B ’ ),最终打在A1A2上,粒子重力不计。下列表述正确的是( )
A.粒子带负电
B.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B
C.粒子打在A1A2的位置越靠近P,粒子的比荷q/m越大
D.所有打在A1A2上的粒子,在磁感应强度为B’的磁场中的运动时间都相同
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解析:
A、带电粒子在磁场中向左偏转,根据左手定则,知该粒子带正电.故A错误.
B、粒子经过速度选择器时所受的电场力和洛伦兹力平衡,有:qE=qvB.则v= .故B正确.
C、经过速度选择器进入磁场B'的粒子速度相等,根据 知,粒子打在AlA2上的位置越靠近P,则半径越小,粒子的比荷越大.故C正确.
D、所有打在AlA2上的粒子,在磁场B'中做匀速圆周运动,运动的时间等于t= ,T= ,则t= ,与带电粒子的比荷有关.故D错误.
故选BC.
直线加速器
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”。那如何才能获得需要的高能粒子呢?
科学探究
产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器
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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。
能不能设计一种能实现多次加速,又减少占地空间的加速器呢?
斯坦福直线加速器中心鸟瞰图
二、回旋加速器
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
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概念:利用电场对电荷的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用,在较小的范围内来获得高能粒子的装置。
2.结构:回旋加速器的核心部件是:
(1)两个D形盒(半圆金属盒)
(2)A粒子源
(3)交流电源
(4)偏转磁场
二、回旋加速器
原理图
二、回旋加速器
U
3.工作原理:
(1)磁场的作用是什么?写出粒子进入磁场后半径表达式?周期?粒子在磁场中运动特点?
(2)电场的作用是什么?
电场使粒子加速
(3)再次进入电场,怎么保证能做加速运动?
(4)带电粒子飞出回旋加速器加速时,获得的动能由哪些因素决定?
接高频
电源
狭缝
原理图
粒子源
由:
得:
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【例2】(指向目标1、2)回旋加速器是用来加速带电粒子,使它获得很大动能的仪器,其核心部分是两个D形金属扁盒,两盒分别和一高频交流电源两极相接,以便在盒间的窄缝中形成匀强电场,使粒子每次穿过狭缝都得