1.4 质谱仪与回旋加速器-2022-2023学年高二物理讲练结合新课件（2019人教版选择性必修第二册）

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? 3 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: 4 弗朗西斯•阿斯顿 一、质谱仪 5 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 6 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： 7 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 8 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 10 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 12 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： 14 【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