1.4 质谱仪与回旋加速器（培优教学课件）物理人教版选择性必修第二册

该高中物理课件聚焦质谱仪与回旋加速器的工作原理，通过超市豆子分类、太阳带电粒子分离的生活与科学实例导入，引导学生设计分离方案，衔接电场磁场知识，搭建从问题到原理的学习支架。 其亮点在于以科学思维（如质谱仪方案推导、回旋加速器动能表达式推理）和科学探究（速度选择器等原理探究）为核心，结合科学态度（回旋加速器相对论效应技术难题），通过同位素分离推导、周期分析等实例落实核心素养。助力学生提升逻辑推理与探究能力，教师可借助清晰结构高效开展教学。

4 质谱仪与回旋加速器 第一章 安培力与洛仑磁力 人教版选择性必修第二册 导入新课 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。 导入新课 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？ 学习目标 物理观念 了解质谱仪和回旋加速器的工作原理，会分析质谱仪区分同位素的原因。 科学思维 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。 科学探究 探究速度选择器、质谱仪和回旋加速器的工作原理，探究分析回旋加速器最大动能的表达式。 科学态度 与责任 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，了解改革创新的过程。 重点难点 重点 1.质谱仪工作原理及装置改进。 2. 回旋加速器的原理与粒子最大动能的决定因素。 难点 1.粒子在回旋加速器中的运动过程分析。 2.带电粒子最大动能表达式的推理。 1. 质谱仪 2. 回旋加速器 3. 课堂总结 4. 练习与应用 学习内容 第4节 质谱仪与回旋加速器 一、质谱仪 第4节 质谱仪与回旋加速器 一、质谱仪 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？ 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 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 方案二：先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用磁场分离 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 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 一、质谱仪 3.质谱仪的工作原理 同位素的电荷量相同，但质量有微小差别。由关系式可知，m不同，x就会不同，即在照相底片上会打到不同的位置，出现一系列不同的谱线。 电场加速： 磁场偏转： x=2r x = = 质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具 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 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） 思考与讨论 一、质谱仪 例题1：同一种带电粒子以不同的速度垂直磁场便捷、垂直磁感线射入匀强磁场中，其运动轨迹如图所示，则可知： （1）带电粒子进入磁场的速度值有几个？ （2）这些速度的大小关系为？ （3）三束粒子从O点出发分别到达1、2、3 点所用时间的大小关系是？ 3 v1<v2<v3 t1=t2=t3 二、回旋加速器 第4节 质谱仪与回旋加速器 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 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。 直线加速器 二、回旋加速器 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 斯坦福大学的加速器 3050米 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. 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。 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。 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 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 二、回旋加速器 Ⅱ Ⅰ (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： 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，这样电场于运动不再同步，也就没办法加速了。 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 二、回旋加速器 练习2：如图为回旋加速器示意图，两个靠得很近的D形金属盒处在与盒面垂直的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B，已知D形盒的半径为R，高频交变电源的电压为U、频率为f，质子质量为m，电荷量为q，已知质子在磁场中运动的周期等于交变电源的周期，下列说法正确的是（　　） A．粒子由加速器的边缘进入加速器 B．质子的最大速度不超过2πRf C．质子的最大动能与U无关 D．粒子在狭缝和D形盒中运动时都能获得加速 BC 三、课堂总结 第4节 质谱仪与回旋加速器 四、课堂总结 一. 质谱仪 二. 回旋加速器 四、练习与应用 第4节 质谱仪与回旋加速器 四、练习与应用 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 四、练习与应用 2.如图是质谱仪工作原理示意图。带电粒子a、b从容器中的A点飘出（在A点初速度为零），经电压U加速后，从x轴坐标原点处进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后分别打在感光板S上，坐标分别为x1、x2。图中半圆形虚线分别表示带电粒子a、b所通过的路径，则（　　） A．b进入磁场的速度一定大于a进入磁场的速度 B．a的比荷一定小于的b比荷 C．若a、b电荷量相等，则质量之比为ma:mb=: D．a、b在磁场中运动时间之比ta:tb=x1:x2 C 四、练习与应用 3．回旋加速器是加速带电粒子的装置其核心部分是分别与高频交流电极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示。现要增大带电粒子从回旋加速器射出时的动能，下列方法可行的是（　　） A．减小磁场的磁感应强度 B．减小狭缝间的距离 C．增大高频交流电压 D．增大金属盒的半径 D 四、练习与应用 4．某回旋加速器的示意图如图所示，两个半径均为R的D形盒置于磁感应强度大小为B的匀强磁场中，并与高频电源两极相连，现对氚核（ ，质量数为3，电荷数为1）加速，所需的高频电源的频率为f。已知元电荷为e。下列说法正确的是（　　） A．D形盒可以用玻璃制成 B．氚核的质量为 C．高频电源的电压越大，氚核从P处射出时的速度越大 D．若对氦核（ ）加速，则高频电源的频率应调为 D 四、练习与应用 5.如图所示为质谱仪的示意图，速度选择器部分的匀强电场的电场强度为E＝1.2×105 V/m，匀强磁场的磁感应强度为B1＝0.6 T；偏转分离器的磁感应强度为B2＝0.8 T.求：(已知质子质量为1.67×10－27 kg，元电荷e＝1.60×10－19 C) (1)能通过速度选择器的粒子的速度大小； 答案　（1）2×105 m/s （2） 5.2×10－3 m (2)质子和氘核以相同速度进入偏转分离器后打在照相底片上的条纹之间的距离d. 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 $