1.4 质谱仪与回旋加速器 现代科技 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

该高中物理课件聚焦洛伦兹力与现代科技，系统讲解速度选择器、磁流体发电机等六大应用装置，通过“装置介绍→运动过程→稳态分析”流程，搭建从洛伦兹力基础到科技应用的学习支架，衔接电磁学知识与实际技术。 其亮点在于融合科学思维与社会责任，以芯片离子注入、中国超级加速器等案例，通过问题链引导模型建构与科学推理，培养学生物理观念与探究能力。教师可依托结构化内容提升教学效率，学生能深化理论联系实际的应用能力。

习题课：洛伦兹力与现代科技 1 1速度选择器 2磁流体发电机 3电磁流量计 4霍尔效应 5质谱仪 6回旋加速器 【①速度选择器】 A B C D 粒子源 发射速度不同的带电粒子 若电场强度为E，磁感应强度为B，要使粒子沿直线运动，则粒子速度需是多少？ +q Eq qvB 是近代物理学研究中常用的一种实验工具，其功能是可以选择某种速度的带电粒子。如图，两极板间存在匀强电场和匀强磁场，二者方向互相垂直 介绍装置→运动过程→最终稳态 【问1】若只改变粒子电性或电荷量，粒子能否匀速通过？ 【问2】让带电粒子从另一端射入，粒子能否匀速通过？ 速度选择器只能选择速度，不能选择电性、电荷量，且具有单向选择性 【①速度选择器】 介绍装置→运动过程→最终稳态 芯片制造中的重要工序之一是离子注入，速度选择器是离子注入的重要组成部分。如图所示，从左侧离子源发射出速度不同的各种离子，仅有部分离子沿平行于纸面的水平直线穿过速度选择器右侧挡板上的小孔(挡板未画出)。已知速度选择器中匀强电场的电场强度大小为E、方向竖直向下，匀强磁场的方向垂直纸面向里，磁感应强度大小为B，速度选择器置于真空中，不计离子受到的重力和离子间的相互作用。下列说法正确的是 A.速度选择器只能筛选正电荷，不能筛选负电荷 B.筛选出的离子的速度大小一定为 C.筛选出的离子的比荷一定相同 D.只增大电场强度E，离子的动能一定增加 例1 √ 【②磁流体发电机】 介绍装置→运动过程→最终稳态 将一束等离子体(即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子)以速度v喷入磁场，磁场的磁感应强度为B，极板间距离为d 开关断开，喷入磁场的带电粒子在洛伦兹力作用下，带正电粒子打在 板上，带负电的粒子打在 板上，这样A、B板间会形成竖直 的电场 当带电粒子受到的洛伦兹力等于静电力时(重力不计)，极板间电压稳定，设为U，根据qvB=qE=，得U= 。上极板是电源的 极。 说明：外电路断开时，电源电动势的大小等于路端电压，故此磁流体发电机的电动势为E=U= 。 如图所示，中空长方体是边长为h、l、b的发电导管，前、后两个侧面是绝缘体，上、下两个侧面是电阻可以忽略的导体电极，通过导线与电容为C、板间距为d的平行板电容器连接，右侧通过开关S与阻值为R的负载连接。发电导管处于磁感应强度大小为B、方向与前、后平面垂直的匀强磁场中。当S断开时，有电阻率为ρ、电荷量绝对值相同的正、负离子组成的等离子束(不计重力)，始终沿着导管方 向以恒定速率由左端连续射入，电路达到稳定后，电容器里一质量为m、电荷量为q的颗粒恰好静止在电容器中央，重力加速度为g， 例2 下列说法正确的是 A.电容器中的颗粒带正电 B.等离子体的流速为 C.闭合开关S，电容器里的颗粒仍然悬停在电容器中 D.闭合开关S，稳定后流过电阻R的电流为 √ 电磁流量计是20世纪50~60年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。 【③电磁流量计】 电磁流量计可以测量导电液体的流量Q——单位时间内流过管道横截面的液体体积 介绍装置→运动过程→最终稳态 设圆管的直径为D，磁感应强度为B， a、b 两点间的电势差是由于导电液体中电荷受到洛伦兹力作用，在管壁的上、下两侧堆积产生的。 到一定程度后，a、b 两点间的电势差达到稳定值U，上、下两侧堆积的电荷不再增多 此时，洛伦兹力和静电力平衡，有__________， 所以v=_ __，又圆管的横截面积S=πD 2 故流量Q=Sv=___ _。 qvB=qE=q 【③电磁流量计】 介绍装置→运动过程→最终稳态 电磁流量计可以测量导电液体的流量Q——单位时间内流过管道横截面的液体体积。如图所示，内壁光滑的薄圆管由非磁性导电材料制成，空间有垂直管道轴线向里的匀强磁场，磁感应强度为B。液体充满管道并以速度v沿轴线方向向左流动，圆管壁上的M、N两点连线为直径，且垂直于磁场方向，M、N两点的电势差为U0。下列说法错误的是 A.N点电势比M点高 B.U0正比于流量Q C.在流量Q一定时，管道半径越小，U0越小 D.若直径MN与磁场方向不垂直，测得的流量Q偏小 例3 √ 【④霍尔效应】 霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。 介绍装置→运动过程→最终稳态 如图所示的元件，宽度和厚度分别为h 和d，放在沿-z方向的匀强磁场B 中，当元件通有沿+x 方向的电流I 时，在元件的上侧面和下侧面之间会产生电势差U。 这种现象叫作霍尔效应，产生的电压称为霍尔电压。 已知该霍尔元件的载流子是电子，电荷量为e，单位体积中的自由电子数为n。 (1)达到稳定状态时，元件上侧面的电势　　　　(选填“高于”“低于”或“等于”)下侧面的电势。  【④霍尔效应】 (2)达到稳定状态时，U= 。 低于 导体中的自由电荷在洛伦兹力作用下偏转，上下面间出现电势差 当自由电荷所受静电力和洛伦兹力平衡时，上下板间的电势差U就保持稳定 介绍装置→运动过程→最终稳态 (3)由上问可知，在I、n、e、h一定的条件下，U与B成正比，由U的数值可以比较B的大小，因此可以用这种元件探测某空间磁场的磁感应强度。 该元件摆放的方向对测量结果是否有影响？简要说明理由。 (4)若电流为正电荷定向移动形成的，上下侧面哪个面的电势高？ 上侧面 因为洛伦兹力的大小与电子运动方向有关。若B的方向平行于I的方向，则U=0；若B的方向与I的方向垂直，U值最大。所以使用时应该调整装置方向找到最大值U。 【④霍尔效应】 介绍装置→运动过程→最终稳态 　(2024·蚌埠市高二期末)利用霍尔元件可以测定地球赤道上方的地磁场强弱，如图是霍尔元件的工作原理示意图，磁场垂直于霍尔元件的工作面向上，通入图示方向的电流I，C、D两侧面间会产生电势差，该电势差大小叫霍尔电压。下列说法中正确的是 A.通电时间越长，霍尔电压越大 B.霍尔电压的大小仅与磁感应强度有关 C.若霍尔元件的载流子是自由电子，则电势φC>φD D.在霍尔元件测定地球赤道上方的地磁场强弱时，元件的工作面应保持 水平 √ 例4 1.4质谱仪与回旋加速器 加速直线运动 匀速直线运动 匀速圆周运动 质谱仪的作用：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。 结构：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。 粒子进入磁场时的速度 v 等于它在电场中被加速而得到的速度 粒子在磁场中只受洛伦兹力的作用，做匀速圆周运动，圆周的半径为 一、质谱仪 加速直线运动 匀速直线运动 匀速圆周运动 　(多选)某种质谱仪的工作原理如图所示，氖的同位素Ne和Ne，以几乎为零的初速度从容器A下方的小孔S1飘入加速电场，经过小孔S2、S3之间的真空区域后，经S3进入垂直于纸面的匀强磁场，最后分别打在照相底片D的x1、x2处。下列说法正确的是 A.匀强磁场方向垂直于纸面向里 B.Ne离开加速电场的速度比Ne小 C.Ne打在x1处 D.Ne在磁场中的运动时间比Ne短 例1 √ √ 　(多选)质谱仪是科学研究和工业生产中的重要工具。质谱仪的工作原理示意图如图所示，粒子源S从小孔S1向下射出各种速度的氕核(H)、氘核(H)、氚核(H)及氦核(He)，粒子经小孔S2进入速度选择器后，只有速度合适的粒子才能沿直线经过小孔S3，并垂直进入磁感应强度大小为B2的偏转磁场，感光底片PQ上仅出现了A、B、C三个光斑，光斑A到小孔S3的距离为2d。已知速度选择器两板间存在垂直纸面向里、磁感应强度大小为B1的匀强磁场，两板间距为d，板间电压为U，下列说法正确的是 A.极板M带负电荷 B.粒子在偏转磁场中的速度大小为 C.氦核的比荷为 D.相邻两光斑的距离均为 例2 √ √ 为什么要发明粒子加速器？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”。产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器。 怎么给粒子加速呢？设计原理：由于库仑力可以对带电粒子做功，从而增加粒子的动能，因此，人们首先想到加速器中一定要用到电场。加速电压越高，粒子获得的动能就越高。然而产生过高的电压在技术上是很困难的，于是人们就会进一步设想，能不能采用多次（多级）加速的方法呢？ 在如图所示的多级加速器中，各加速区的两板之间用独立电源供电，所以粒子从 P2 飞向 P3、从 P4 飞向P5……时不会减速。由于粒子在加速过程中的径迹为直线，要得到较高动能的粒子，其加速装置要很长。 人们进一步思考，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不是会大大缩小吗？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 ①D1 和 D2 是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电势差U。 ②A处的粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。 ③两个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，所以粒子在磁场中做匀速圆周运动。 ④经过半个圆周之后，当粒子再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒间的电势差，使其恰好改变正负，于是粒子经过盒缝时再一次被加速。 1、构造： 二、回旋加速器 二、回旋加速器 1、构造： 主要由两个D 形盒及两D 形盒之间的高频电源，D形盒处的磁场 2、磁场和电场分别起什么作用？ 3、对高频电源的周期有什么要求？ 高频电源周期与带电粒子在磁场中做圆周运动的周期相同 4、带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？ 若D型盒半径为R， 则最终获得的动能为 加速次数 加速时间 5、高频电源的电压会影响什么？ 二、回旋加速器 　回旋加速器是用来加速一群带电粒子使它们获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接，以便在盒内的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝时都能被加速，加速电压大小始终为U，两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rmax。求： (1)所加交流电源频率； 例3 (2)粒子离开加速器时的最大动能； (3)粒子被加速次数； (4)若带电粒子在电场中加速的加速度大小恒为a，粒子在电场中加速的总时间。 A.仅增大加速电压U，则氘核(H)从D形盒出口射出的动能增大 B.仅减小加速电压U，则氘核(H)被加速次数增多 C.氘核H)在磁场运动过程中，随着半径逐渐增大，周期也随之逐渐增大 D.若用该加速器加速α粒子(He)需要把交流电源的频率调整为2f 　我国中核集团230 MeV超导质子回旋加速器通过验收技术测试。这意味着中核集团布局治癌回旋加速器取得又一重要突破。置于真空中的D形金属盒半径为R，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，交流加速电压大小恒为U。若用此装置对氘核H)加速，所加交流电源的频率为f。加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响，下列说法正确的是 例4 √ Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.31 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.6 $