1.4 质谱仪与回旋加速器 课件-2026-2027学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

第一章 安培力与洛伦兹力 1.4 质谱仪和回旋加速器 高中物理-人教版 1 复习巩固 一、洛伦兹力 磁场对运动电荷的作用力 二、怎么让静止的电荷获得速度 U0 m , q ——电场 F = qE 一、速度选择器 1.4 质谱仪与回旋加速器 活动一：速度选择器 + v B F洛 F洛＝qvB. + v E F电 F电＝qE. 若qE=Bqv 粒子将以速度v做匀速直线 即 二、质谱仪 1.4质谱仪与回旋加速器 活动二：质谱仪 U0 B m , q + v （1）先加速由： 得： （2）再偏转(匀速圆周运动） 得： 可以根据半径区分比荷不同的粒子。 活动二：质谱仪 【例1】一个质量为m、电荷量为q的粒子，从容器下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为零，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，如图所示．求： (1) 粒子进入磁场时的速率； (2) 粒子在磁场中运动的轨道半径； (3) 若离子源A中有两种不同的正离子a、b， 其他条件不变，测量时发现底片上只有一个点， 能否说明a、b离子质量一定相同？为什么？ 活动二：质谱仪 【例2】如图，氢元素的各种同位素从容器A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场．加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中．氢的三种同位素氕、氘、氚的电荷量之比为1∶1∶1，质量之比为1∶2∶3，它们最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”．关于三种同位素进入磁场时速度大小的排列顺序和a、b、c三条“质谱线”的排列顺序，下列判断正确的是(　　) A. 进入磁场时，质量越大，速度越大 B. a、b、c三条质谱线中，质量越大，半径越小 C. a、b、c三条质谱线依次排列的顺序是氕、氘、氚 D. 进入磁场时，速度从大到小排列的顺序是氕、氘、氚 D ②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素 活动二：质谱仪 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . + - 速度选择器 照相底片 质谱仪的示意图 三、回旋加速器 1.4 质谱仪与回旋加速器 活动三：回旋加速器 1. 使一个带电粒子获得较大的速度(能量)的方法． (1) 利用加速电场给带电粒子加速．如图所示，粒子射出时的速度与哪些物理量有关？ 活动三：回旋加速器 活动三：回旋加速器 欧洲强子对撞加速器 27公里 斯坦福大学的加速器 3050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？ 活动三：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。 活动三：回旋加速器——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。 Ⅱ Ⅰ 活动三：回旋加速器——回旋加速器的结构及作用 (1) 回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？ 【答案】 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． (2) 为什么要加交变电场？若加一恒定电场会怎样？ 【答案】 加交变电场是为了保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使其能量不断增加；若加恒定电场，则转动一周，其速度等于零，无法一直加速． 活动三：回旋加速器——回旋加速器的结构及作用 (3) 带电粒子转动一周，被加速了几次？加速电场多长时间就需要改变一下方向？ 【答案】 2次；每半圈就要改变电场方向． (4) 对交变电场的周期有什么要求？ 【答案】 交变电场的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期． 活动三：回旋加速器——回旋加速器的速度与能量 （1）若 D 形盒半径为R，求粒子获得的最大速度 即 （2）求粒子获得的最大动能 （vm与Em只与磁感应强度B、 D 形盒半径为R有关，而与加速电压U无关） 活动三：回旋加速器——回旋加速器的速度与能量 (3) 粒子的加速次数N (4) 粒子在D形盒中的运动时间t； 活动三：回旋加速器 —— 回旋加速器的几个常用结论 1.交变电流周期： 2.离开时的速度： 3.离开时的动能： 4.一共加速次数： 5.磁场运动时间： 活动三：回旋加速器 —— 回旋加速器的几个常用结论 【例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 THANK YOU Lavf57.71.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder r0.2.61(gap_fixed:False) 【答案】 由动能定理W＝ΔEk，qU＝mv2，解得 v＝.粒子射出时的速度与加速电压和粒子的比荷有关． (2) 若带电粒子种类一定，即 一定，实际所加的电压又不能太高，要使带电粒子获得的能量增大，可采取什么方法？ 【答案】 多级加速，如图所示，带电粒子增加的动能为ΔEk＝mv2－mv＝qU＝qU1＋qU2＋…＋qUn＝q(U1＋U2＋U3＋…＋Un)． Lavf59.27.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v1.1.1 $