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 教学目标 CONTENT 01 02 03 了解科学知识在现代仪器中的基本应用，提升科学素养 掌握回旋加速器的工作原理及其应用 掌握质谱仪的工作原理及其应用 2 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？ 质谱仪 一 知能提升 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。 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粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场 ④偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离 ⑤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 速度选择器 原理图 加速电场 速度选择器 3.原理： 经加速电场获得速度： 经速度选择器时速度为： 在偏转磁场中： 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。 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” 产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器。 直线加速器 北京正负电子对撞机 欧洲质子加速器 斯坦福大学的加速器 缺点：占地大 能否设计一款占地小些的加速器 回旋加速器 二 知能提升 1.回旋加速器的构造： （1）粒子源 （2）两个D形盒 （3）匀强磁场 （4）交变电场 说明：两D形盒中有匀强磁场无电 场，盒间缝隙有交变电场 2.回旋加速器的原理： ~ 电场 →加速 磁场 →偏转 获得高能粒子 思考1：交变电场的周期多大呢？ 高频电场的变化周期为 每过t= 电场换一次方向，带电粒子被加速一次 思考与交流 思考与交流 最大动能与加速电压无关，由盒的半径和磁感应强度决定. 思考2：如何提高回旋加速器的加速性能呢？ 思考与交流： 思考2：回旋加速器的局限性 回旋加速器加速的带电粒子，能量达到 25 〜 30 MeV后，很难再加速了。原因是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度增加而增大，而质量的变化会导致其回转周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。 原理图 典例精析 例1：如图所示，以两虚线为边界，中间存在平行纸面且与边界垂直的水平电场，宽度为d，两侧为相同的匀强磁场，方向垂直纸面向里. 一质量为m、带电量+q、重力不计的带电粒子，以初速度v1垂直边界射入磁场做匀速圆周运动，后进入电场做匀加速运动，然后第二次进入磁场中运动，此后粒子在电场和磁场中交替运动. 已知粒子第二次在磁场中运动的半径是第一次的二倍，第三次是第一次的三倍，以此类推. 求：(1)粒子第一次经过电场的过程中电场力 所做的功W1; (2)粒子第n次经过电场时电场强度的大小En; (3)粒子第n次经过电场所用的时间 tn. 典例精析 电场d 磁场 粒子：质量为m、带电量+q 运动：初速度为v1 、Rn=nR1 直接求解 间接求解 (1)粒子第一次经过电场的过程中电场力所做的功W1; 电场d 磁场 粒子：质量为m、带电量+q 运动：初速度为v1 、Rn=nR1 解析：(1)设粒子第n次进入磁场时的半径为Rn，速度为vn  因为R2=2R1， 所以v2=2v1. 对粒子第一次在电场中运动 的过程，由动能定理得： (2)粒子第n次经过电场时电场 强度的大小En; (3)粒子第n次经过电场所用的 时间tn. 电场d 磁场 粒子：质量为m、带电量+q 运动：初速度为v1 、Rn=nR1 (2)粒子第n次进入电场时速度 为vn，穿出电场时速度为vn+1， 由题意知  vn=nv1，vn+1=(n+1)v1  由动能定理得 (3)设粒子第n次在电场中运动的加速度为an, 由牛顿第二定律得 qEn=man 代入解得： 代入解得： 由运动学公式得 vn+1-vn=antn 例2：利用电场和磁场，可以将比荷不同的离子分开，这种方法在化学分析和原子核技术等领域有重要的应用．已知被加速的两种正离子的质量分别是m1和m2(m1>m2), 电荷量均为q.加速电场的电势差为U，离子进入电场时的初速度可以忽略.不计重力，也不考虑离子间的相互作用. (1)求质量为m1的离子进入磁场时的速度； (2)当磁感应强度大小为B时，求两种离子在GA边 落点的间距s； 加速电场 狭缝 G A D C B 解： (1)根据动能定理 (2)根据洛伦兹力公式和牛顿第二定律可得 S 粒子源 课堂小结 一. 质