1.4 质谱仪与回旋加速器 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

汇报人： 第一章 安培力与洛仑磁力 1.4 质谱仪与回旋加速器 c 1 新课导入 为了便于存取，超市不同种类的豆子是分开存放 太阳每天都会向我们地球发射大量的带电粒子 为了了解这些粒子都是什么种类的粒子， 我们也需要将这些粒子分开来研究。 新课导入 作者编号：43999 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 作者编号：43999 方案一：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： U0 L y U d m , q （1）先加速 （2）再偏转（类平抛运动） 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。 还有其他方案吗？ 新课导入 作者编号：43999 学习目标 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导过程，体会逻辑推理的思维方法。 3.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 学习目标 作者编号：43999 一、质谱仪 思考讨论：如何分开电量相同而质量不同的带电粒子 利用电场和磁场 （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。 加速 偏转 新知学习 作者编号：43999 一、质谱仪 19世纪末，弗朗西斯·威廉·阿斯顿按照这样的想法设计了质谱仪，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。 弗朗西斯·威廉·阿斯顿 Francis William Aston 新知学习 作者编号：43999 一、质谱仪 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 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 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 速度选择器 ③粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场 新知学习 作者编号：43999 一、质谱仪 3．原理： （1）带电粒子通过加速电场的 速度为：＿＿＿＿； （2）带电粒子通过速度选择器 的速度为：＿＿＿＿； （3）在偏转磁场中做圆周运动 的半径：＿＿＿＿＿； （4）带电粒子的荷质比＿＿＿＿＿＿。 质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具 qvB1 = qE 新知学习 作者编号：43999 一、质谱仪 4.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 未知的元素对应了不同种类的原子，我们该如何去研究不同的原子组成成分呢？ 加速电场U1： 偏转磁场B： 偏转的距离为x 新知学习 作者编号：43999 一、质谱仪 电荷量相同，质量不同的同位素，经同一电场U0加速后，经S3孔进入匀强磁场，由于其圆周运动的轨道半径不同，就会打在照相底片D的不同位置，出现一系列的谱线（叫作质谱线）。 例如：氕、氘、氚三种同位素（q相同，m不同） 新知学习 作者编号：43999 二、回旋加速器 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？ 思考：如何产生极高能量的粒子 新知学习 作者编号：43999 二、回旋加速器 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 缺点:多级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。 新知学习 作者编号：43999 二、回旋加速器 北京正负电子对撞机 202米 如何设计一种既能实现多次加速，又可以减少占地空间的加速器呢？ 欧洲强子对撞磁场加速器 27公里 新知学习 作者编号：43999 二、回旋加速器 如果带电粒子在一次加速后又转回来被第二次加速，如此往复“转圈圈”式地被加速，加速器装置所占的空间就会大大缩小。而磁场正好能使带电粒子“转圈圈”，于是，人们依据这个思路设计出了用磁场控制轨道、用电场进行加速的回旋加速器。 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。 1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室. 新知学习 作者编号：43999 二、回旋加速器 1.回旋加速器的结构及作用 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。 新知学习 作者编号：43999 二、回旋加速器 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.回旋加速器的工作原理 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。 新知学习 作者编号：43999 二、回旋加速器 思考：两个D形盒之间缝隙的电场方向应该如何变换呢？ 如果在两盒间加一个交变电场，使它也以同样的周期往复变化，那就可以保证粒子每经过电场区域时，都正好赶上适合的电场方向而被加速。 电场的周期： 一个周期，加速两次 与粒子速度大小无关 新知学习 作者编号：43999 二、回旋加速器 3. 决定粒子射出D形盒时最大速率的因素： 当粒子从D形盒边缘引出时，最后半圆应满足： 即 （vm与B、R有关，而与加速电压U无关） U 每次Δv Δr 次数少 t短 U 每次Δv Δr 次数多 t长 4. 带电粒子的最终能量 粒子的动能与加速电压无关，与D型盒的半径有关 新知学习 作者编号：43999 Ⅱ Ⅰ 二、回旋加速器 (n是粒子被加速次数)，总时间为t＝t1＋t2，因为t1≪t2，一般认为在盒内的时间近似等于t2。 5. 粒子在回旋加速器中运动的时间： 在电场中运动的时间为t1，在磁场中运动的时间为 6. 轨道半径 带电粒子在D形金属盒内运动的轨道半径是不等距分布的，粒子第一次进入D形金属盒Ⅱ，被加速一次，以后每次进入D形盒Ⅱ都被加速两次，粒子第n次进入D形盒Ⅱ时，已经被加速（2n+1）次，带电粒子在D形盒内任意两个相邻的圆形轨道半径之比： 新知学习 作者编号：43999 二、回旋加速器 这个过程看似可以一直进行下去，但实际上由于相对论的效应，粒子的质量会随着速度增，圆周运动的周期也增加，这样电场于运动不在同步，也就没办法加速了。 新知学习 作者编号：43999 二、回旋加速器 1.交变电流周期： 2.粒子时的速度： 3.离开时的动能： 4.一共加速次数： 5.磁场运动时间： 6.电场运动时间： 每换一种粒子都得调整交变电流周期 速度与D型盒半径以及磁感应强度有关，与U无关 动能与D型盒半径以及磁感应强度有关，与U无关 加速次数与D型盒半径、磁感应强度、电压U有关 磁场时间与D型盒半径、磁感应强度、电压U有关 电场时间与缝间距、D型盒半径、磁感应强度、电压U有关 回旋加速器的几个常用结论 新知学习 作者编号：43999 1.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． D 当堂检测 课堂作业 作者编号：43999 2. (多选)如图是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核(H)和氦核(He)。下列说法中正确的是(　　 ) A．它们的最大速度相同 B．它们的最大动能相同 C．它们在D形盒中运动的周期相同 D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能 AC 当堂检测 课堂作业 作者编号：43999 3.我国建造的第一台回旋加速器工作原理如图所示，回旋加速器的两个D形金属盒分别和一高频交流电源两极相接，电压大小为U，忽略粒子在电场中的运动时间。下列说法正确的是 （　　） A.电荷量为q的粒子每次经过D形盒之间的缝隙后，动能均增加qU B.由于粒子速度被逐渐加大，极板所加交流电的周期要相应减小 C.粒子从加速器出来的最大速度与D形盒的半径大小及磁场的磁感应强度有关 D.α粒子（ ）与氘核（ ）经同一回旋加速器加速后获得相同的动能 AC 当堂检测 课堂作业 作者编号：43999 一. 质谱仪 二. 回旋加速器 课堂总结 课堂总结 作者编号：43999 Lavf57.71.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder r0.2.61(gap_fixed:False) Lavf59.27.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v1.1.1 Lavf58.29.100 $