1.4 质谱仪与回旋加速器（课件）-2024-2025学年高二物理同步精讲练（人教版2019选择性必修第二册）

第一章：第4节 质谱仪与回旋加速器 高中物理选择性必修第二册 制作：陈庆威 目录 CONTENT 高中物理选择性必修第二册 质谱仪 回旋加速器 巩固提升 问题？ 00. 高中物理选择性必修第二册 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 第一部分 质谱仪 01. 高中物理选择性必修第二册 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。是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。 结构及作用 02. 高中物理选择性必修第二册 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 速度选择器 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 质谱仪的工作原理 03. 高中物理选择性必修第二册 加速获得速度： 在偏转磁场中： 加速电场 若粒子的电荷量相同而质量不同，则不同粒子进入匀强磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，因此打到照相底片的不同位置。 例题讲解 04. 高中物理选择性必修第二册 【例1】 质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为＋e的正电子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做半径为R的匀速圆周运动。求： （1）粒子射出加速器时的速度v为多少？ （2）速度选择器的电压U2为多少？ （3）粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？ 高中物理选择性必修第二册 例题解析 05. 【解析】（1）在a 中，e 被加速电场U1加速，由动能定理有 ，得 （2）在b 中，e 受的电场力和洛伦兹力大小相等，即 ，代入v 值得 （3）在c中，e受洛伦兹力作用而做圆周运动，回转半径 ，代入v 值得 回旋加速器 第二部分 粒子加速器 01. 高中物理选择性必修第二册 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 02. 高中物理选择性必修第二册 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。 高中物理选择性必修第二册 北京正负电子对撞机 202米 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？ 直线加速器 03. 欧洲强子对撞磁场加速器 27公里 回旋加速器 04. 高中物理选择性必修第二册 1929年，劳伦斯发明了后来被称为回旋加速器的“原子击破器”，1932年建成世界第一台回旋加速器。 利用电场对电荷的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用，在较小的范围内来获得高能粒子的装置。 回旋加速器的结构及工作原理 05. 高中物理选择性必修第二册 回旋加速器的核心部件: （1）两个D形金属盒 （2）A粒子源 （3）交流电源 （4）偏转磁场 接高频 电源 狭缝 原理图 粒子源 思考与讨论 06. 高中物理选择性必修第二册 1.为了保证带电粒子每次到达D形盒缝隙间都能被加速，D形盒缝隙的电场方向应该是恒定的还是变化的呢？ 由于粒子在D型盒内每回旋半圈，进入盒缝间就需要加速一次，因此类似于多级直线加速器，电场方向应该是变化的。 + - v1 + - v2 v3 v4 v m 高中物理选择性必修第二册 2. 你认为这个电场变化的周期是恒定的吗？你分析的依据是？ 思考与讨论 07. 如果这个变化电场的周期是恒定的，我们就容易控制和实现。如果不是恒定的，控制和实现起来会有一定的技术困难。 高中物理选择性必修第二册 思考与讨论 08. 3.在我们讨论带电粒子的回旋时间时，忽略了粒子在缝间的加速时间，为什么可以做这种忽略呢？ 因为两个D形盒的缝宽远小于盒的半径，粒子在D形盒中经过半周的回旋时间远远大于加速时间，因此可以忽略缝间加速时间。 高中物理选择性必修第二册 思考与讨论 09. 4.回旋加速器加速不同比荷的带电粒子，是否需要调整变化电场的周期? 需要，因为带电粒子的回旋周期跟比荷有关，而电场的变化周期应该等于带电粒子的回旋周期。 高中物理选择性必修第二册 思考与讨论 10. 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总时间： 高中物理选择性必修第二册 思考与讨论 11. 6.某种带电粒子在回旋加速器中被不停的持续加速后，带电粒子的能量能无限增大吗？这个最大能量跟加速电压有关吗？ 若 D 形盒半径为R，则 高中物理选择性必修第二册 拓展学习 12. 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。 我国的回旋加速器 13. 高中物理选择性必修第二册 我国第一台回旋加速器是由中国原子能科学研究院研制成功的。‌这台回旋加速器于1996年5月9日通过了国家计委的验收，标志着我国的回旋加速器研制技术达到了90年代国际先进水平。 总结提升 第三部分 课堂小结 高中物理选择性必修第二册 带电粒子在磁场中的运动 回旋 加速器 质谱仪 例题1 例题精选 01. 【参考答案】D 高中物理选择性必修第二册 如图所示，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U的加速电场，其初速度几乎为0，然后经过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D上。则粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径为（　　） A． B． C． D． 解析 例题解析 02. 高中物理选择性必修第一册 【解析】粒子飘入电势差为U的加速电场，有 粒子进入磁场做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，有 联立，解得故选D。 例题2 例题精选 03. 【参考答案】D 高中物理选择性必修第二册 回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是与高频交流电极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中有周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两个D形金属盒处于垂直于盒面的匀强磁场中，如图所示。下列说法正确的是（    ） A．仅增大狭缝间的加速电压，则同一粒子射出加速器时的动能增大 B．仅增大D形金属盒的半径，则同一粒子射出加速器时的动能不变 C．仅增大磁场的磁感应强度且使电场变化周期与粒子做圆周运动周期相同，则同一粒子射出加速器时的动能不变 D．仅增大粒子的质量且使电场变化周期与粒子做圆周运动周期相同，粒子出射时的动能减小 解析 例题解析 04. 高中物理选择性必修第一册 【解析】A B．仅增大加速电压，则每次加速获得的动能变大。设D形金属盒的半径为r，由洛伦兹力提供向心力可得解得 粒子的最大动能为联立解得 由此可知，粒子射出加速器时的动能大小与加速电压无关，故A正确，B错误； 解析 例题解析 05. 高中物理选择性必修第一册 C．由可知，仅增大磁场的磁感应强度且使电场变化周期与粒子做圆周运动周期相同，则同一粒子射出加速器时的动能变大，故C错误； D．由可知，仅增大粒子的质量且使电场变化周期与粒子做圆周运动周期相同，粒子出射时的动能减小，故D正确。故选D。 例题3 例题精选 06. 【参考答案】BD 高中物理选择性必修第二册 （多选）如图为某种回旋加速器的示意图，它由两个相对放置的D形盒构成。其盒缝间的加速电场场强大小恒定，且被限制在A、C板间，图中虚线为A、C极板的延长线，其间未加电场和磁场。带正电粒子从处小孔飘入A、C板间（初速度可忽略不计），经加速后通过C板上的小孔进入D形盒内的匀强磁场中，依次经过做圆周运动（“孔”与“盒”图中均未画出），不计粒子的重力。对于这种回旋加速器，下列说法正确的（　　） A．加速电场的方向需要周期性的变化 B．加速粒子的最大速度与D形盒的尺寸有关 C．带电粒子依次到达的速度之比为 D．带电粒子到达A板右侧延长线的位置间距离 解析 例题解析 07. 高中物理选择性必修第一册 【解析】A．带电粒子只有经过AC板间时被加速，即带电粒子每运动一周被加速一次，电场的方向不需要改变，则在AC间加速，故A错误； C．设极板间的宽度为，带电粒子在极板间的加速度不变为，在极板中加速的次数为，根据可得 即带电粒子依次到达的速度之比为，故C错误； D．粒子在磁场中做匀速圆周运动，根据洛伦兹力提供向心力 可得结合C选项分析可知故D正确； B．当粒子从D形盒中出来时速度最大，根据 知加速粒子的最大速度与D形盒的半径有关，故B正确。故选BD。   例题4 例题精选 08. 高中物理选择性必修第二册 某质谱仪原理如图所示，A为粒子加速器，加速电压为U1；B为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，两板间距离为d；C为偏转分离器，磁感应强度为B2。现有一质量为m，电荷是为+q的粒子（不计重力），初速度为0，经A加速后，该粒子进入B恰好做匀速运动，粒子从M点进入C后做匀速圆周运动，打在底片上的N点。求： (1)粒子进入速度选择器的速度大小v； (2)速度选择器两板间的电压U2； (3)MN的距离L。 解析 例题解析 09. 高中物理选择性必修第一册 【解析】（1）粒子在A中加速过程，根据动能定理有 解得 （2）粒子在B中做匀速直线运动，根据受力平衡有 解得 （3）粒子在C中做匀速圆周运动，根据洛伦兹力提供向心力有 解得   THANKS cqw (c) - $$