1.4 质谱仪与回旋加速器 课件-2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

启迪智慧 1.4质谱仪与回旋加速器 人教版 选择性必修二 第一章 启迪智慧 启迪智慧 物理核心素养目标 知道质谱仪和回旋加速器的基本结构和工作原理。 2. 经历质谱仪和回旋加速器工作原理的推理过程，在仪器中体会物理知识的运用，体会逻辑推理的思维方法。 3. 了解质谱仪和回旋加速器的局限性，体会理论与实践的区别，以及理论在实际生产生活中运用的困境。 启迪智慧 复习导入 在科学研究和工业生产中，常常遇到这样的问题，一束带电粒子流由电荷量相同，但质量不同的粒子组成，需要将不同粒子分离，以便分析其中所含物质的成分，对此常常用到的科学仪器叫质谱仪。 小组讨论：质谱仪究竟是如何将电荷量相同，但质量不同的带电粒子进行分离的？（结合带电粒子在磁场中的运动相关知识分析） 启迪智慧 质谱仪 PART 01 启迪智慧 PART 01 电离室 加速电场 偏转磁场 1. 电离室：使中性气体电离，产生带电粒子，飘出的带电粒子质量不同，电荷量相同。 2. 加速电场：对带电粒子产生静电力，静电力做功使带电粒子获得动能。电势能转化为粒子的动能。 3. 偏转磁场：使带电粒子做匀速圆周运动，由于半径r不同而分离。 基本结构 启迪智慧 PART 01 质谱仪的工作原理可以分为两个过程：加速过程、偏转过程 （1）加速过程——电场使带电粒子加速 （2）偏转过程——磁场使带电粒子偏转 动能定理，粒子初速度很小，忽略不计 得： 得： 比荷不同的粒子的轨道半径r不同，成功分离不同粒子。 工作原理 启迪智慧 PART 01 变形 要计算粒子的质量，需要知道其中哪些物理量？ 质谱仪的用途不只是分离带电粒子。质谱仪还可以测量粒子的质量： 启迪智慧 例. 如图为质谱仪原理示意图，一个质量为m，电荷量为q的带正电的粒子，粒子初速度很小可视为静止，首先经过一个电压为U的加速电场。随后，粒子进入速度选择器，其内有相互垂直的匀强电场E和匀强磁场，匀强电场方向水平向右。部分带电粒子能够沿着直线穿过速度选择器，并从G点垂直MN边界进入偏转磁场，偏转磁场是以直线MN为边界的匀强磁场，方向垂直纸面向外。粒子经过偏转磁场后，最终会到达照相底片的H点，测量出G点和H点之间的距离为L。带电粒子的重力可忽略不计。(1)带电粒子从加速电场射出时速度v的大小；(2)粒子速度选择器中磁感应强度B1的大小和方向；(3)偏转磁场的磁感应强度B2的大小。 （1） （2） 方向垂直纸面向外 （3） 启迪智慧 PART 02 回旋加速器 启迪智慧 PART 02 物质是由原子构成，原子则由原子核以及核外电子构成，那么原子核的内部又是怎样的？ 如果把原子核想象成一颗鸡蛋，想知道内部结构就必须把它“打碎”进行“观察”。然而，原子核很稳定，很难“打碎”只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才能把它“打开”。 高能粒子 粒子加速器 必修三中学过直线加速器，它的基本机构和工作原理是怎样的 启迪智慧 PART 02 设电子进入第 n 个圆筒后的速度为 v，根据动能定理： 解得： 第 n 个圆筒的长度： （n越大圆筒越长） 局限性：直线加速器长度过长，占用的空间范围太大。 启迪智慧 PART 02 1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，这一发明大大减小了加速器所占空间的体积。 基本结构：两个D形空心盒、盒间狭缝。 工作原理：1. 狭缝间的加速电场使带电粒子加速， 2. D形空心盒内的偏转磁场使带电粒子做圆周运动。 启迪智慧 交变电压 狭缝 粒子源             回旋加速器要如何设置才能保证电荷被加速？以正电荷为例。 带电粒子做圆周运动的周期T： 每转半圈 电场方向要改变一次，使得带电粒子被不断加速。 PART 02 启迪智慧 PART 02 启迪智慧 随着粒子加速，圆周运动半径r越来越大。已知D型空心盒半径为R，粒子加速后的最大速度是多少？最大动能是多少？ 物理含义：最大动能由磁感应强度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关。 PART 02 洛伦磁力提供向心力 启迪智慧 带电粒子加速后速度增大,周期是否改变?如果改变，这将带来什么技术难关，你觉得如何改进？ 事实上，当粒子速度v接近光速c时，相对论效应显著，粒子的质量变大，周期逐渐变大，与交变电场周期不再同步。 PART 02 启迪智慧 例.(回旋加速器）(多选)如图甲展示了一个半径为R的回旋加速器的D形盒外观，而图乙则详细描绘了回旋加速器的工作原理。微观粒子从起始点S出发，在加速器中被逐渐加速。当粒子达到最大速度vm时，从回旋加速器中射出，以供进一步的应用或实