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

1.4 质谱仪与回旋加速器 第一章 安培力与洛伦兹力 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？ 导入新知 方案： 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： 得： 纵向： 横向： 得： 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。 导入新知 电离室：使中性气体电离，产生带电粒子 加速电场：使带电粒子获得速度 偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离 照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径 1.构造： 粒子源 加速电场 偏转磁场B 照相底片 质谱线或谱线 一、质谱仪 2.质谱仪的工作原理 (1)在加速电场中，带电粒子获得速度，即 加速电场U (2)在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为： (3)在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 (4)联立以上各式可得粒子的比荷和质量分别为 偏转磁场B 照相底片 测量带电粒子的质量和分析同位素。 3.应用： x = 2 r 一、质谱仪 原理图 加速电场 速度选择器 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 速度选择器 速度选择器E，B： 偏转磁场B0： 观察改进后质谱仪的结构，这样的设计有什么优点？ 4、质谱仪的改进 一、质谱仪 1.质谱仪的原理如图所示，虚线AD上方区域处在垂直纸面向外的匀强磁场中，C、D间有一荧光屏。离子源产生a、b两种电荷量相同的离子，无初速度进入加速电场，经同一电压加速后，垂直进入磁场，a离子恰好打在荧光屏C点，b离子恰好打在D点，离子重力不计，则( ) A.a、b离子均带负电 B.a离子质量比b离子的大 C.a、b离子在磁场中的运动时间相等 D.a离子在磁场中的运动速度比b的大 D 例题精选 由于离子进入磁场中向右偏转，即离子受到向右的洛伦兹力，根据左手定则可知，离子应带正电，故A错误； 设离子进入磁场的速度为v，在电场中，有qU＝mv2，在磁场中，有qvB＝m，联立解得R＝，由题图可知，Ra<Rb，两离子电荷量相同，所以a离子质量比b离子的小，故B错误； 在磁场中运动的时间均为半个周期，即t＝T＝×，由于a离子的质量小于b离子的质量，故a离子在磁场中运动的时间较短，故C错误； 离子在磁场中运动的速度为v＝，a离子的质量比b的小，则a离子的速度比b的大，故D正确。 例题精选 2.(2025·湖北云学联盟高二期末)质谱仪在众多科学研究和实际应用领域中都发挥着重要作用。如图所示为某一质谱仪，某种带电粒子从O点由静止出发，经过加速电场和速度选择器，进入磁场后打在荧光屏上，粒子轨迹如图中虚线所示。若U1、B1、B2以及圆周运动的半径R为已知量，下列说法正确的是( ) A.该粒子带负电 B.该粒子的速度为 C.该粒子的比荷为 D.该速度选择器中电场强度为 B 例题精选 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 粒子加速器 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？ 问题引出 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 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。有没有什么办法改进？ 直线加速器 二、回旋加速器 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？ 北京正负电子对撞机俯视图 欧州的强子对撞外景 二、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。观察结构，并尝试说明其工作原理？ 工作原理：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个D形盒和其间的窄缝内完成。 二、回旋加速器 思考1：回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？对交流电源的周期有什么要求？在一个周期内加速几次？粒子被加速的条件是什么？ 1.粒子被加速的条件 接高频 电源 狭缝 粒子源 ①粒子做匀速圆周运动的周期： 粒子在每个D形盒中运动的时间： ②交变电场的周期： 二、回旋加速器 思考2：带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？如何提高粒子的最大动能？ 若D形盒半径为rm 对某种粒子q、m一定，粒子要获得的最大动能尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径rm 。 2.粒子最终的能量 二、回旋加速器 3.粒子被加速次数的计算 被加速的次数：n＝(U是加速电压的大小) 在电场中加速过程 nqU＝ 思考3：带电粒子的动能是如何获取的？如何计算加速次数和加速时间？ 4.粒子在回旋加速器中运动的时间 t2＝n·(n为加速次数) 整个过程在电场中可以看成匀加速直线运动。 加速度a＝ 由vm＝at(vm为最大速度) t＝。 在电场中运动的时间为t1 在磁场中运动的时间为t2 总时间为t＝t1＋t2 因为t1≪t2 一般认为在回旋加速器中运动的时间近似等于t2。 二、回旋加速器 3.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。 (1)求所加交流电源频率； (2)求粒子离开加速器时的最大动能； (3)求粒子被加速次数； (4)若带电粒子在电场中加速的加速度大小恒为a，求粒子在电场中加速的总时间。 　 (1) 　 (2) 　 (3) 　　 (4) 　 　 例题精选 (1)粒子在电场中运动时间极短，因此所加交流电源频率要符合粒子回旋频率，粒子做匀速圆周运动的向心力由洛伦兹力提供， 则qvB＝m，则T＝， 交流电源频率f＝； (2)由牛顿第二定律知qBvmax＝， 则vmax＝， 则最大动能Ekmax＝m； (3)设粒子被加速次数为n 由动能定理nqU＝Ekmax得n＝ (4)由于加速度大小始终不变，由vmax＝at得t＝。 例题精选 (3)设粒子被加速次数为n 由动能定理nqU＝Ekmax得n＝ (4)由于加速度大小始终不变，由vmax＝at得t＝。 例题精选 某同学在分析带电粒子运动轨迹时，画出了如图所示的轨迹图，他认为两个D形盒中粒子加速前后相邻轨迹间距Δd是相等的。请通过计算分析该轨迹是否合理？若不合理，请描述合理的轨迹间距会有怎样的变化趋势？ 答案　该同学画的轨迹不合理；合理的轨迹是：轨迹间距不相等，轨迹半径越大，Δd越小，轨迹越密。 知识拓展 第n次加速后，根据动能定理得,nqU＝m 粒子在磁场中做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律得qvnB＝m， 解得rn＝第n＋1次加速后的轨迹半径为,rn+1＝ 相邻轨迹间距Δd＝2rn+1－2rn 解得Δd＝) 通过上面的计算分析可知，该同学画的轨迹不合理；合理的轨迹是：轨迹间距不相等，轨迹半径越大，Δd越小，轨迹越密。 例题精选 一. 质谱仪 二. 回旋加速器 课堂小结 Lavf58.29.100 $