1.4 质谱仪与回旋加速器-【物理优课PPT】高中物理选择性必修第二册同步PPT课件（人教版2019）

授课老师：物理优课PPT Mass spectrometer and cyclotron 人教版（2019） 高中物理选择性必修 第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 1 了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。 2 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。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。 学习目标 新课导入 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？ 新课导入 U0 L y U d m , q （1）先加速 （2）再偏转（类平抛运动） 由： 得： 纵向： 横向： 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。 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： 方案： 目 录 01 质谱仪 02 回旋加速器 03 课后练习 1.质谱仪的结构 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 电离室：使中性气体电离，产生带电粒子 加速电场：使带电粒子获得速度 偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离 照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径 2.质谱仪的原理 你能根据所学知识解释一下质谱仪的工作原理吗？ 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 （1）先加速 （2）再偏转(匀速圆周运动） 由： 得： 得： 这样比荷不同的粒子就可以被分开了。 质谱仪还可以完成其他实验任务吗？ 3.质谱仪的作用 质谱仪还可以计算粒子的质量，其原理是，可以根据入射孔和底片计算出带电粒子在磁场中偏转半径 r ,则有： 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 若粒子初速度不为零，上述结论是否还成立，如何克服这一问题带来的困难？ 4.质谱仪的改进 原理图 加速电场 速度选择器 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 速度选择器 速度选择器 E，B： 偏转磁场 B0： 观察改进后质谱仪的结构，这样的设计有什么优点？ 5.典例探究 5.典例探究 目 录 01 质谱仪 02 回旋加速器 03 课后练习 1.问题引出 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 粒子加速器 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？ 2.直线加速器 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 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。有没有什么办法改进？ 3.回旋加速器 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？ 工作原理：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个D形盒和其间的窄缝内完成。 3.回旋加速器 3.回旋加速器 接高频 电源 狭缝 原理图 粒子源             回旋加速器要如何设置才能保证电荷被加速？ 带电粒子在D形盒中运行的周期： 加速条件 每过 电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。 3.回旋加速器 粒子加速后的最大速度或最大能量是多少，它们由什么因素决定？跟电压大小有关系吗？ 粒子最大动能： （离开半径与D形盒半径相同） 对某种粒子 q、m 一定，粒子获得的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。 3.回旋加速器 带电粒子加速后速度增大,周期需要改变吗?如果改变，这将带来什么技术难关，你觉得如何改进？ 粒子速度 v 接近光速 c 时，质量变大，在磁场中运动周期改变，与交变电场周期不同步。 改进： 课堂小结 二. 回旋加速器 一. 质谱仪 目 录 01 质谱仪 02 回旋加速器 03 课后练习 课后练习 课后练习 答案：AD 课后练习 课后练习 答案：D 课后练习 课后练习 授课老师：物理优课PPT Mass spectrometer and cyclotron 人教版（2019） 高中物理选择性必修 第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 【例1】　如图为质谱仪原理示意图，电荷量为q、质量为m的带正电的粒子从静止开始经过电压为U的加速电场后进入粒子速度选择器．选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的场强为E、方向水平向右．已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器，从G点垂直MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN为边界、方向垂直纸面向外的匀强磁场．带电粒子经偏转磁场后，最终到达照相底片的H点．可测量出G、H间的距离为L，带电粒子的重力可忽略不计．求： (1)粒子从加速电场射出时速度v的大小； (2)粒子速度选择器中匀强磁场的磁感应 强度B1的大小和方向； (3)偏转磁场的磁感应强度B2的大小． 答案：(1)eq \r(\f(2qU,m))　(2)Eeq \r(\f(m,2qU))　方向垂直纸面向外 (3)eq \f(2,L) eq \r(\f(2mU,q)) 解析：(1)在加速电场中，由qU＝eq \f(1,2)mv2可解得v＝eq \r(\f(2qU,m)). (2)粒子在速度选择器中受到向右的电场力qE，应与洛伦兹力qvB1平衡，故磁场B1的方向应该垂直于纸面向外， 由qE＝qvB1得B1＝eq \f(E,v)＝Eeq \r(\f(m,2qU)). (3)粒子在磁场B2中的轨迹半径r＝eq \f(1,2)L，由r＝eq \f(mv,qB2)得，B2＝eq \f(2,L) eq \r(\f(2mU,q)). Lavf58.29.100 1.(回旋加速器）(多选)如图甲是回旋加速器D形盒外观图，如图乙是回旋加速器工作原理图．微观粒子从S处由静止开始被加速，达到其可能的最大速度vm后将到达导向板处，由导出装置送往需要使用高速粒子的地方．下列说法正确的是(　 　) A．D形盒半径是决定vm的一个重要因素 B．粒子从回旋加速器的磁场中获得能量 C．高频电源的电压是决定vm的重要因素 D．高频电源的周期等于粒子在磁场中的运动周期 解析：回旋加速器中的加速粒子最后从磁场中做匀速圆周运动离开，根据半径公式R＝eq \f(mvm,qB)，可得vm＝eq \f(qBR,m)，则粒子的最大速度与加速电压无关，与D形盒的半径、磁感应强度以及粒子的电荷量和质量有关，D形盒半径越大，vm越大；磁场越强，vm越大，A正确，C错误；回旋加速器是利用电场加速、磁场偏转来加速粒子的，B错误；粒子在磁场中转动两个半圆的过程，电场的方向变换两次，则T电＝2×eq \f(T磁,2)＝T磁＝eq \f(2πm,qB)，D正确． 2.（质谱仪）[江苏南通2021高二上检测]速度相同的一束粒子由左端射入质谱仪后分成甲、乙两束，其运动轨迹如图所示，其中S0A＝eq \f(2,3)S0C，则下列相关说法中正确的是(　　) A．甲束粒子带正电，乙束粒子带负电 B．甲束粒子的比荷小于乙束粒子的比荷 C．能通过狭缝S0的带电粒子的速率等于eq \f(E,B2) D．若甲、乙两束粒子的电荷量相等，则甲、乙两束粒子的质量比为2∶3 解析：甲束粒子在磁场中向上偏转，乙束粒子在磁场中向下偏转，根据左手定则知甲束粒子带负电，乙束粒子带正电，故A错误；根据洛伦兹力提供向心力，有qvB＝meq \f(v2,r)，解得r＝eq \f(mv,qB)，由题意可知v、B都相同，r甲＜r乙，则甲的比荷大于乙的比荷，故B错误；能通过狭缝S0的带电粒子，根据平衡条件有qE＝qvB1，解得粒子速率v＝eq \f(E,B1)，故C错误；由图示粒子运动轨迹可知r甲＝eq \f(1,2)S0A，r乙＝eq \f(1,2)S0C，S0A＝eq \f(2,3)S0C，则r甲∶r乙＝2∶3，粒子运动轨迹半径r＝eq \f(mv,qB)，由题意可知v、q、B都相同，则eq \f(r甲,r乙)＝eq \f(m甲,m乙)＝eq \f(2,3)，即甲、乙两束粒子的质量比为2∶3，故D正确． 3．(质谱仪）[江苏南京六校联合体2022调研]质谱仪是一种检测和分离同位素的仪器．氕(11H)、氘(12H)两种带电粒子从容器A下方的狭缝S1飘入电势差为U0的加速电场，其初速度几乎为0，然后经过狭缝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，最后打到照相底片上．已知带电粒子从狭缝S3进入磁场时与垂直磁场边界方向存在一个很小的散射角θ，所有粒子均打在底片区域内，最远点M到狭缝S3的距离为d.氘的质量为m，忽略带电粒子的重力及相互间作用力，且q未知． (1)若打到M点的是氘粒子，求其电荷量q； (2)若某些氘粒子进入磁场后，形成等效电流为I的粒子束，最终在照相底片MN上的P点(图中未画出)形成一个曝光点，粒子打到照相底片上后均被吸收．求氘粒子束单位时间内对P点的冲击力大小F； (3)若考虑加速电压有波动，在(U0－ΔU)到(U0＋ΔU)之间变化，要使氕、氘两种粒子在底片上没有重叠，求ΔU应满足的条件． 答案：(1)eq \f(8mU0,B2d2)　(2)eq \f(1,2)BId　(3)ΔU<eq \f(2cos2θ－1,2cos2θ＋1)U0 解析：(1)氘粒子打在底片上的最远点M之前在磁场中偏转了半个圆周，根据几何关系可得r＝eq \f(d,2)， 在加速电场中，根据动能定理有qU0＝eq \f(1,2)mv2，在偏转磁场中，有qvB＝meq \f(v2,r)， 联立解得q＝eq \f(8mU0,B2d2). (2)设t时间内打到P点的氘粒子个数为N，则(以单位时间为研究对象也可)N＝eq \f(It,q)， 根据动量定理有－Ft＝0－Nmv，根据动能定理有qU0＝eq \f(1,2)mv2， 联立解得F＝Ieq \r(\f(2mU0,q))＝eq \f(1,2)BId. (3)要使氕、氘两种粒子在底片上没有重叠，即氘粒子打在底片上的位置到狭缝S3的最小距离比氕粒子打在底片上的位置到狭缝S3的最大距离大，根据几何关系有2r氘cos θ>2r氕，q(U0－ΔU)＝eq \f(1,2)mv氘2， q(U0＋ΔU)＝eq \f(1,2)·eq \f(m,2)v氕2， r氘＝eq \f(mv氘,qB)，r氕＝eq \f(mv氕,2qB)，联立解得ΔU<eq \f(2cos2θ－1,2cos2θ＋1)U0. $$