第1.4 节质谱仪与回旋加速器-2023-2024学年高二物理同步培优课件（人教版2019选择性必修第二册）

高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器 第4节:质谱仪与回旋加速器 高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器 温故知新 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期和半径 高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器 思考讨论如何分开电荷量相同而质量不同的带电粒子 方案一利用电场 先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示： （1）先加速，由 得： （2）再偏转（类平抛运动） 纵向： 横向： U0 L y U d m , q 得： 由粒子的轨迹方程可知，粒子的轨迹与粒子的性质无关，无法分开比荷不同的粒子。 高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器 思考讨论如何分开电荷量相同而质量不同的带电粒子 方案二利用电场和磁场 先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强磁场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示： （1）先加速由： 得： （2）再偏转(匀速圆周运动） 得： U0 B m , q 由粒子的轨道半径表达式可知，比荷不同的带电粒子的半径不同，这种方法可以分开比荷不同的粒子。 高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器 质谱仪 质谱仪的结构及其作用 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 高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器 质谱仪 质谱仪的工作原理 你能根据所学知识解释一下质谱仪的工作原理吗？ （1）先加速由： 得： （2）再偏转(匀速圆周运动） 得： 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,这样就可把不同比荷的粒子分开来。 (3)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 质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具 高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器 提出问题 如何产生极高能量的粒子 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”。如何产生极高能量的粒子？ 粒子加速器 粒子加速 还记得必修三中学过的直线加速器吗，他的工作原理是怎样的，它有什么弊端？ 设电子进入第 n 个圆筒后的速度为 v，根据动能定理有： 得 第 n 个圆筒的长度为 高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器 直线加速器 直线加速器的原理 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 直线加速器 直线加速器的缺陷 高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器 高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器 回旋加速器 回旋加速器的发现及其结构 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进行多级加速。观察结构，并尝试说明其工作原理？ 结构及作用 ： ①两个大磁极 ：在带电粒子运动范围内产生很强的匀强 磁场，使带电粒子做匀速圆周运动。 ②两个D形盒：D形盒内部有磁场没有电场。使带电粒 子的圆周运动不受电场影响。 ③D形盒间的窄缝：使带电粒子在这一区间被电场加速。 ④交变电场：交变电场的周期等于粒子做匀速圆周运动 的周期。使带电粒子在D形盒间的窄缝被加速。 高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器 回旋加速器 回旋加速器的工作原理 接高频 电源 狭缝 原理图 粒子源             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？ 半径 周期 周期与粒子的速度无关 ②电场的作用是什么？ 电场使粒子加速，一个周期，加速两次 ③再次进入电场，怎么保证能做加速运动？ 电场的周期与粒子在磁场中运动的周期相