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

该高中物理课件聚焦质谱仪与回旋加速器，通过太阳带电粒子分离问题导入，结合微观粒子在磁场中运动的知识回顾，搭建从旧知到新知的学习支架，系统讲解构造、原理及重点公式。 其亮点在于以问题链驱动科学探究，如设计粒子分离方案培养科学思维，结合阿斯顿发现同位素等实例渗透科学态度与责任，课堂小结用核心公式梳理物理观念。学生能深化原理理解，教师可获得结构化教学资源提升效率。

第一章 安培力与洛伦兹力 4 质谱仪与回旋加速器 High School Physics 知道回旋加速器的构造及工作原理，知道交流电源的周期与粒子在磁场中运动的周期之间的关系，知道决定粒子最大动能的因素。 02 知道质谱仪的构造及工作原理，会确定粒子在磁场中运动的半径，会求粒子的比荷。 01 重点 重点 微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？ 知识回顾 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需要将这些粒子分开来研究 情境导入 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？ 1 质 谱 仪 以下方案能实现吗？ 先用加速电场，再由电场偏转，原理如图： 由： 得： 纵向： 横向： 得： U0 L y U d m , q 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。 (2)再由电场偏转（类平抛运动） (1)先由电场加速 19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿设计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20 和氖-22，证实了同位素的存在。 阿斯顿 Francis William Aston 质谱仪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。 粒子源 加速电场 偏转磁场B 1.构造： 照相底片 质谱线或谱线 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： 2.质谱仪的工作原理 偏转磁场B (3)在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r 2.质谱仪的工作原理 照相底片 (4)联立以上各式可得粒子的比荷和质量分别为 2.质谱仪的工作原理 质谱线或谱线 3.应用： 测量带电粒子的质量和分析同位素。 1.(2025·铜仁市高二期末)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 √ 例题 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。 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 √ 例题 粒子在磁场中逆时针偏转，根据左手定则可知粒子带正电，选项A错误； 在加速电场中qU1＝mv2，在磁场中有qvB2＝m，解得v＝，，选项B正确，C错误； 在速度选择器中qvB1＝qE，解得E＝，选项D错误。 回旋加速器 在粒子物理学的研究中，经常需要高能粒子做为“子弹”去轰击未知原子，以便“打开”其内部结构。那如何才能获得需要的高能粒子呢？ 高速可子弹击碎物体 高能粒子做为“子弹”去轰击未知原子 情境导入 1.我们在研究原子核内部情况时，要用极高能量的粒子轰击原子核。那么该如何增加带电粒子的动能呢？ 答案　通过电场使带电粒子加速，增加带电粒子的动能。 单级加速器 2.由于产生过高的电压在技术上很困难，经过一次加速粒子增加的动能又有限。那么如何才能使带电粒子获得极高的能量呢？ 答案　利用较低的电压，采用多级(多次)加速使粒子加速获得极高的能量。 多级直线加速器 3.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。这种加速器有什么缺点？ 答案　这种加速器的缺点是加速器装置所占的空间位置太大。 多级直线加速器 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 4.为了克服上述缺点，人们设计出了回旋加速器如图所示。 回旋加速器两D形盒之间有窄缝，中心附近放置粒子源(如质子、氘核或α粒子源)，D形盒间接上交流电源，在狭缝中形成一个交变电场。 (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？ + + - 加速 加速 - + + 粒子经电场加速，经磁场回旋 加速条件： 一个周期内，粒子加速2次 (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 。 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： 要点归纳 2.粒子最终的能量 粒子速度最大时的运动半径等于D形盒的半径 即rm＝R，rm＝ 则粒子的最大动能 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＝ 4.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 t2＝n·(n为加速次数) 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。 若粒子在回旋加速器电场中运动时间不可忽略，如何计算粒子在回旋加速器电场中加速的总时间？ 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＝。 思考与讨论 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； 答案　 (1) 　 (2) 　　 例题 (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。 答案　 (3) 　　 (4) 　 (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＝。 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。 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。 4.(2025·嘉兴市八校联盟高二期中)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。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 例题 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 √ 当粒子在磁场的轨迹半径等于D形金属盒半径R时，粒子的动能最大，有qvmB＝m，rm＝R，故Ekm＝m，与加速电压和加速次数无关，A错误； 设粒子在电场中被加速次数为n，nqU＝m，解得n＝，仅减小加速电压U，氘核(H)被加速次数增多，B正确； 氘核(H)在磁场运动的周期T＝，与半径无关，C错误； 回旋加速器交流电源的频率应等于带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的频率，氘核(H)和α粒子(He)比荷相同，则在同一磁场中做匀速圆周运动的频率相同，D错误。 一. 质谱仪 二. 回旋加速器 由： 条件： 粒子能量： 课堂小结 本 课 结 束 Keep Thinking! Lavf57.83.100 Lavf58.20.100 $