1.4质谱仪与回旋加速器（课件）-【大单元教学】高二物理同步备课系列（人教版2019选择性必修第二册）

4. 质谱仪、回旋加速器 第一单元 安培力与洛伦兹力 更多模板请关注：https://haosc.tukuppt.com 1 1物理观念： 了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。 2科学思维： 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。 3科学探究： 理论探究并理解电场与磁场叠加场的科技应用实例的原理。 4科学态度与责任： 具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，能主动与他人合作，尊重他人，能基于证据和逻辑发表自己的见解，实事求是有将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探索日常生活有关的物理问题。 核 心 素 养 如何测量微观带电粒子(例如质子、电子)的质量和比荷、如何分离同位素离子呢？能否利用带电粒子在磁场中运动的原理，设计一种仪器来进行测量呢？ 驱动问题1 19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿设 计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20 和氖-22，证实了同 位素的存在。后来经过多次改进，质谱仪已经成为一种十 分精密的仪器，是科学研究和工业生产中的重要工具。 阿斯顿 Francis William Aston 1.原理：如图所示，带电粒子经加速电场加速后垂直于磁场方向进入匀强磁场，最后打在照相底片上，不同质量的粒子打在照相底片上位置不同。 3.加速：带电粒子进入质谱仪的电场被加速，则qU＝mv2　① 4.偏转：带电粒子进入质谱仪的磁场做匀速圆周运动，则Bqv⁠＝　② 5.结论：由①②可求半径r、质量m、比荷等，其中r＝，可知电荷量相同时，半径将随质量变化。 6.应用：测定带电粒子的质量和分析同位素。 2、电离室：使中性气体电离，产生带电粒子 学习任务一：质谱仪 例1　(多选)质谱仪是科学研究和工业生产中的重要工具，如图所示是一种质谱仪的工作原理示意图。质量为m、电荷量为q的粒子，从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U1的加速电场，其初速度几乎为0，接着经过小孔S2进入速度选择器中，沿着直线经过小孔S3垂直进入磁感应强度为B2的匀强磁场中，最后打到照相底片CD上。 已知速度选择器的板间距为d，板间电压为U2且板间存在磁感应强度为B1的匀强磁场，粒子打在底片上的亮点距小孔S3的距离为D。不计粒子重力及粒子间相互作用。则该带电粒子的比荷可以表示为 √ √ 练1、质谱仪是一种测定带电粒子的质量及分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示，离子源S产生的各种不同正离子束（速度可看成为零），经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x。 （1）若离子质量为m、电荷量为q、加速电压为U、磁感应强度大小为B，求x的大小。 （2）氢的三种同位素H、H、H从离子源S出发，到达照相底片的位置距入口处S1的距离之比xH∶xD∶xT为多少？ 答案　（2）1∶∶ 答案　（1） 　 想要研究原子的结构，我们就需要“打开”原子核的高能“炮弹”，而加速器就是制造高能“炮弹”的“工厂”。 在研究电场时，我们知道可以利用静电力对带电粒子做功增加粒子的能量，即 ,电压越高粒子增加的能量越大。但有一个技术问题就是如何产生高压？ 为了解决这一技术难题，我们想到了“多级加速”，也就是直线加速器，但设备太长。 驱动问题2 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 1932年,美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器，从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步．为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖． 学习任务二：回旋加速器 1.构造：两半圆金属盒D1、D2 ，D形盒的缝隙处接交流电源。D形盒处于匀强磁场中。 思考与讨论： + - v1 + - v2 v3 v4 v m 2.原理： (1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？ 磁场的作用是使带电粒子回旋，电场的作用是使带电粒子加速。 (2)对交变电场的周期有什么要求？ 与粒子速度大小无关。 + - v1 + - v2 v3 v4 v m 若D形盒的最大半径为R，磁感应强度为B， 由 得粒子获得的最大速度: 最大动能决定于D型盒的半径r和磁感应强度B. (3)带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？ (4)带电粒子在回旋加速器中被加速的次数是多少？ 粒子获得的最大速度： + - v1 + - v2 v3 v4 v m 粒子每加速一次增加的能量： 粒子加速次数： (5)带电粒子在回旋加速器磁场中运动时间是多少？ 粒子一个周期内被加速两次 粒子加速次数： 粒子在磁场中运动的时间： + - v1 + - v2 v3 v4 v m 粒子运动的总时间t＝t1＋t2＝____________。 例2　(多选)如图甲所示为我国建造的第一台回旋加速器，该加速器存放于中国原子能科学研究院，其工作原理如图乙所示：其核心部分是两个D形盒，粒子源O置于D形盒的圆心附近，能不断释放出带电粒子，忽略粒子在电场中运动的时间，不考虑加速过程中引起的粒子质量变化。 现用该回旋加速器对 粒子分别进行加速，下列说法正确的是 A.两种粒子在回旋加速器中运动的 时间相等 B.两种粒子在回旋加速器中运动的 时间不相等 C.两种粒子离开出口处的动能相等 D.两种粒子离开出口处的动能不相等 √ √ 练2、用来加速带电粒子的回旋加速器的结构示意图如图甲所示，其核心部分是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中，两盒分别与高频电源相连。带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t的变化规律如图乙所示。忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断正确的是（　　） A.在Ek－t图像中应有t4－t3＜t3－t2＜t2－t1 B.加速电压越大，粒子最后获得的动能就越大 C.粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大 D.要想粒子获得的最大动能增大，可增加D形盒的面积 C （1）先加速 （3）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 课堂小结 （2）再选择Eq=B1qv 课堂小结 回旋加速器 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。 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。 得： A. B. C. D. ＋ Lavf57.83.100 粒子在各狭缝中的运动连在一起为匀加速直线运动，运动时间为t2＝＝______。(缝隙宽度为d) H、He $$