1.4质谱仪与回旋加速器 课件-2022-2023学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

第一章 安培力与洛伦兹力 4.质谱仪与回旋加速器 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？ 美国费米实验室的回旋加速器直径长达2km，回旋加速器的直径为什么要这么大呢？ 了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。 1. 经历质谱仪工作原理的推理过程，体会逻辑推理的思维方法。（科学思维） 2.了解回旋加速器面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。（科学思维） 体会课堂探究的乐趣， 汲取新知识的营养， 让我们一起 吧！ 进 走 课 堂 一、质谱仪 1.用途：质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素(测比荷）的工具 质谱仪原理 2.质谱仪的原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . + - 速度选择器 照相底片 质谱仪的示意图 【理论分析】 【例1】设一个质量为m、电荷量为q的粒子,从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场,其初速度几乎为零,然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中,最后打到底片D上.求：(1)求粒子进入磁场时的速率；(2)求粒子在磁场中运动的轨道半径。 可见半径不同则比荷不同，就意味着它们是不同的粒子。 解析： 引入：直线加速器 二、回旋加速器的原理 缺陷：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。 由动能定理得带电粒子经n极电场加速后增加的动能为： 1. 回旋加速器的发明 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 (1)两个D形盒及两个大磁极 (2)D形盒间的窄缝 (3)高频交流电 2.回旋加速器的结构 3.回旋加速器的原理 （1）电场的作用：使粒子加速 （2）磁场的作用：使粒子回旋 （3）交变电压：保证带电粒子 每次经过窄缝时都被加速 【互动探究】粒子不断加速，它的速度和半径都在不断增大，为了满足同步条件，电源的频率也要相应发生变化吗？ 不需变化，因为带电粒子在匀强磁场中的运动周期T= ，与运动速率无关。 回旋加速器的原理分析 4. 带电粒子的最终能量 当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由 半径公式 得 若 D 形盒半径为R， 则带电粒子的最终动能 可见，带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关，只与磁感应强度 B 和 D 形盒半径 R 有关。 【互动探究】根据 D越大，EK越大，是不是只要D不断增大，EK 就可以无限制增大呢? 实际并非如此。这是因为当粒子的速率大到接近光速时，按照相对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地增加，从而使粒子的回旋周期也随之变化，这就破坏了加速器的同步条件。 【例2】1932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．带电粒子由加速器的中心附近进入加速器 B．带电粒子由加速器的边缘进入加速器 C．电场使带电粒子加速，磁场使带电粒子旋转 D．离子从D形盒射出时的动能与加速电场的电压无关 D 三、带电粒子在复合场中的运动实例 1．电磁流量计 (1)结构：如图所示，圆形导管直径为d，用非磁性材料制成，导电液体在管中向左流动，导电液体中的自由电荷(正、负离子)在洛伦兹力的作用下横向偏转，a、b间出现电势差，形成电场。 (2)原理：当自由电荷所受的电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差就保持稳定，即： 所以 因此液体流量 2．霍尔效应： (1)定义：在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差，这种现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电势差（霍尔电压），其原理如图所示。 实验表明，当磁场不太强时，电势差U、电流I和B的关系为 式中的比例系数k称为霍尔系数 (2)电势高低的判断：如图，金属导体中的电流I向右时，根据左手定则可得，金属中的自由电子受到的洛伦兹力方向向上，电子在上表面聚集，因此下表面A′的电势高。 (3)霍尔电压的推导：导体中的自由电荷(电子)在洛伦兹力作用下偏转，A、A′间出