1.4 质谱仪 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

质谱仪 回旋加速器 磁流体发动机 洛伦兹力的应用 洛伦兹力 定义 与安培力的关系 电荷在磁场中所受的力． 通电导线在磁场中所受的安培力是洛伦兹力的 ，而洛伦兹力是安培力的微观解释． 合力或宏观表现 运动 大小 FB=Bq B V ߠ B与V的夹角为 FB=Bq V B FB=Bq sin FB=B垂直q 最大 B V // FB=0 洛伦兹力 方向 I FB B I FB B + - V V FB B ，FB V ， FB B 与V决定的平面 ߠ ߠ ߠ 正电荷，四指指向 与运动方向相同 负电荷，四指指向 与运动方向相反 左手定则 + 洛伦兹力 方向 I FB B I FB B + - V V FB B ，FB V ， FB B 与V决定的平面 ߠ ߠ ߠ 正电荷，四指指向 与运动方向相同 负电荷，四指指向 与运动方向相反 左手定则 FB V Bq =m = T= T= 半径公式 周期公式 比荷相同的粒子，在同一匀强磁场中做匀速圆周运动的周期相等，与速度和半径无关。 V FB V FB V 质谱仪 U 加速器 速度选择器 磁场偏转器 加速器 qU＝mv2. 速度选择器 两极板电压为为带电粒子做匀速运动。 B1qv＝ 磁场偏转器 r B2q =m 测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具． + + - - 2 质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．如图6所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量，让氢元素三种同位素的离子流从A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场，加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，氢的三种同位素最后打在底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”，则下列判断正确的是(　　) A．进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氚、氘、氕 B．进入磁场时动能从大到小排列的顺序是氕、氘、氚 C．在磁场中运动时间由大到小排列的顺序是氕、氘、氚 D．a、b、c三条“质谱线”依次排列的顺序是氚、氘、氕 跟我走 大显身手 例1 D (2018·全国卷Ⅲ)如图，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U加速后在纸面内水平向右运动，自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直．已知甲种离子射入磁场的速度大小为v1，并在磁场边界的N点射出；乙种离子在MN的中点射出；MN长为l.不计重力影响和离子间的相互作用．求： (1)磁场的磁感应强度大小； (2)甲、乙两种离子的比荷之比． 跟我走 大显身手 例2 味道江湖 太明论理 如图所示为一种质谱仪的示意图，由加速电场、静电分析器和磁分析器组成．若静电分析器通道中心线的半径为R，通道内均匀辐射电场在中心线处的电场强度大小为E，磁分析器内有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向外．一质量为m、电荷量为＋q的粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器，由P点垂直边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q点．不计粒子重力．求： (1)加速电场的电压； (2)P、Q两点间的距离s. 跟我走 大显身手 例3 味道江湖 太明论理 回旋加速器 回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？ 回旋和加速 对交流电源的周期有什么要求？在一个周期内加速几次？ 交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期．在一个周期内加速两次． 带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？如何提高粒子的最大动能？ Bq =m 要提高带电粒子获得的最大动能，则应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R. = 回旋加速器 提高交流电的电压可以提高粒子的最大动能吗？ 不能 提高交流电的电压可以减少粒子加速的次数吗？ 能 NqU= 粒子在回旋加速器中运动的时间： 电场中运动的时间 磁场中运动的时间 粒子在回旋加速器中运动的总时间：t=+ 因为很短，可以忽略，t= U d 回旋加速器 U d 中第K条轨道的半径与为多少？ （2K-1）qU=m Bq =m 2nqU=m Bq =m - 1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图5所示，核心部分为两个铜质D形盒，其间留有空隙，将其置于匀强磁场中，两盒分别与高频交流电源相连，下列说法正确的是(　　) 跟我走 大显身手 例1 A．粒子被加速后的最大动能随加速电场电压的增大而增大 B．粒子由加速器的边缘进入加速器 C．电场变化周期由粒子的质量、电荷量和磁感应强度决定 D．为使被加速的粒子获得的动能增加为原来的4倍，可只将D形盒的半径增大为原来的2倍 C D 如图所示，两个处于同一匀强磁场中的相同的回旋加速器，分别接在加速电压U1和U2的高频电源上，且U1