1.4质谱仪与回旋加速器（好课件）-2022-2023学年高二物理同步备课精编优选课件+导学案（人教版2019选择性必修第二册）

§4 质谱仪与回旋加速器 高二物理（人教版2019） 选择性必修 第二册 第一章 安培力与洛伦兹力 复习与回顾： 带电粒子匀强磁场中做圆周运动的轨道半径和周期怎样计算？ 新课引入 新课引入 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？ 思考与讨论： 1.构造：由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成。 一、质谱仪 新课讲授 加速电场 偏转磁场 照相底片 粒子源 2.结构及作用 ： ①加速电场：使带电粒子获得速度 ②偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离 ③照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径 (1)电场中加速： 由动能定理得： 由此可得： 3.原理： (2)磁场中偏振： 向心力为受的洛伦兹力提供，即 所以粒子的轨道半径为 新课讲授 (1)电场中加速： 4.装置改进： 新课讲授 原理图 加速电场 速度选择器 (2)经速度选择器选择速度为： (3)磁场中偏转： 5.作用： 新课讲授 原理图 加速电场 速度选择器 (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 思考与讨论： 1.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”。如何获得高速粒子？ 新课讲授 2.如何解决技术上不能产生过高的电压的难题？ 分析：利用电场对带电粒子进行加速，加速电压越高，粒子获得的能量就越大。 8 思考与讨论： 3.如何解决加速设备很长这一难题？ 新课讲授 分析：利用电场对带电粒子进行加速，加速电压越高，粒子获得的能量就越大。 9 二、回旋加速器 1.构造：两半圆金属盒D1、D2 ，D形盒的缝隙处接交流电源。D形盒处于匀强磁场中。 新课讲授 思考与讨论： + - v1 + - v2 v3 v4 v m 2.原理： 新课讲授 (1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？ 磁场的作用是使带电粒子回旋，电场的作用是使带电粒子加速。 (2)对交变电场的周期有什么要求？ 与粒子速度大小无关。 思考与讨论： + - v1 + - v2 v3 v4 v m 2.原理： 新课讲授 (3)带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？ 若D形盒的最大半径为R，磁感应强度为B， 由 得粒子获得的最大速度: 最大动能决定于D型盒的半径r和磁感应强度B. 思考与讨论： + - v1 + - v2 v3 v4 v m 2.原理： 新课讲授 (4)带电粒子在回旋加速器中被加速的次数是多少？ 粒子获得的最大速度： 粒子每加速一次增加的能量： 粒子加速次数： 思考与讨论： + - v1 + - v2 v3 v4 v m 2.原理： 新课讲授 (5)带电粒子在回旋加速器磁场中运动时间是多少？ 粒子一个周期内被加速两次 粒子加速次数： 粒子在磁场中运动的时间： 3.回旋加速器的局限性 新课讲授 按照狭义相对论，粒子的质量随着速度的增加而增大，而质量的变化会导致其回旋周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。因此，回旋加速器加速的带电粒子，能量能达到25—30MeV后，很难再加速了。 C 课堂练习 课堂练习 D 课堂练习 课堂练习 C 课堂练习 课堂练习 4．回旋加速器的工作原理如图所示：真空容器D形盒放在与盒面垂直的匀强磁场中．两盒间狭缝间距很小，粒子从粒子源A处（D形盒圆心）进入加速电场（初速度近似为零）．D形盒半径为R，粒子质量为m、电荷量为+q，加速器接电压为U的高频交流电源．若相对论效应、粒子所受重力和带电粒子穿过狭缝的时间均不考虑．下列论述正确的是（ ） A．交流电源的频率可以任意调节不受其他条件的限制 B．增大磁感应强度B，粒子被加速后获得的最大动能增大 C．增大电压U，粒子被加速后获得的最大动能增大 D．增大U或B，粒子在D型盒内运动的总时间t 都减少 B 课堂练习 课堂练习 B 课堂练习 课堂练习 1．利用质谱仪可以分析同位素，如图所示，电荷量均为q的同位素碘131和碘127质量分别为m1和m2，从容器A下方的小孔S1进入电势差为U的电场，初速度忽略不计，经电场加速后从S2射出，垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上。则照相底片上碘131和碘127与S2之间的距离之比为（　　） A． B． C． D． 【答案】C 【详解】粒子在电场中加速时，有qU＝ mv2设粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径为R，则有Bqv＝ 联立以上两式解得 所以照相底片上碘131和碘127与S2之间的距