1.4 质谱仪和回旋加速器（教学课件）物理人教版选择性必修第二册

第一章 安培力与洛伦兹力 人教版（2019）选择性必修 第二册 4.质谱仪与回旋 加速器 目录 学习目标 重点难点 课堂导入 探究新知 课堂小结 课堂练习 布置作业 1 2 3 4 5 6 7 2 01 02 03 04 物理观念 建立带电粒子在电场、磁场复合场中运动的物理观念，知道电场力可以改变粒子速度大小、洛伦兹力只改变速度方向。理解带电粒子经电场加速、磁场偏转的运动特点，掌握质谱仪、回旋加速器的工作原理，明确回旋加速器中粒子最大动能的决定因素，厘清加速电场、匀强磁场与粒子圆周运动之间的知识联系，能够运用洛伦兹力、圆周运动的知识解释两类仪器的工作过程，深化对带电粒子在电磁场中运动的认识。 科学思维 结合质谱仪、回旋加速器的结构开展逻辑推理，通过受力分析判断粒子在仪器中的运动轨迹；能够把仪器实物情境抽象为电场加速、磁场偏转的物理模型，推导质谱仪轨道半径公式与回旋加速器最大动能公式。辨析磁感应强度、加速电压、粒子比荷对仪器工作效果的影响，能结合几何关系分析粒子运动，锻炼模型建构、空间想象能力，提升推理论证、处理科技类物理问题的能力。 科学探究 借助仿真动画或者仪器原理演示，观察粒子在质谱仪、回旋加速器中的运动过程。依托洛伦兹力圆周运动规律，自主推导仪器相关物理量，运用控制变量的思路，探究磁感应强度、加速电压、粒子比荷对偏转半径、最大动能的影响。学会拆解仪器结构，提取核心物理模型，归纳电磁场实际应用类问题的分析思路，提高从真实科技情境中提炼物理模型、解决物理问题的探究能力。 科学态度与责任 了解质谱仪、回旋加速器在同位素分析、高能物理研究中的实际用途，体会带电粒子电磁场运动规律在科学研究、工业生产中的应用价值，感受物理理论对核物理、高能技术发展的推动作用。在公式推导、仪器原理分析推演的过程中，养成严谨求实、认真细致的科学学习习惯。体会微观粒子物理规律转化为工程设备的现实意义，激发对粒子物理的探索兴趣，树立运用物理知识认识世界、助力科技发展的意识。 学习目标 质谱仪 01 教学内容 回旋加速器 02 教学重点 1 教学重点 2 教学难点 3 理解质谱仪、回旋加速器的工作原理，理清粒子在装置内的运动过程。 结合圆周运动规律，分析粒子半径、周期的相关影响因素。 分析粒子在回旋加速器中的加速与偏转过程；结合仪器结构处理临界轨迹问题，建立物理模型。 重点难点 课堂导入——观察与思考 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？ 课堂导入——观察与思考 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： （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。 01 PART 01 第一部分 质谱仪 探究新知 8 探究新知——质谱仪的结构 电离室 加速电场 偏转磁场 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 探究新知——质谱仪的原理 你能根据所学知识解释一下质谱仪的工作原理吗？ 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 （1）先加速 （2）再偏转(匀速圆周运动） 由： 得： 得： 这样比荷不同的粒子就可以被分开了。 质谱仪还可以完成其他实验任务吗？ 探究新知——质谱仪的作用 质谱仪还可以计算粒子的质量，其原理是，可以根据入射孔和底片计算出带电粒子在磁场中偏转半径r,则有： 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 若粒子初速度不为零，上述结论是否还成立，如何克服这一问题带来的困难？ 探究新知——质谱仪的改进 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？ 探究新知——典例探究 【例1】(多选)(2025·昆明市高二期末)质谱仪工作原理如图所示，一质量为m、电荷量为q的粒子，从容器A下方小孔S1飘入电压为U的加速电场中(初速度为0)，经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度大小为B的匀强磁场中，最后打到照相的底片D上，不计粒子重力。则 A.粒子进入磁场时的速率为v= B.粒子在磁场中运动的轨道半径为r= C.电荷量相同质量越大的粒子，最后打到底片上的位置离S3越远 D.电荷量相同质量越小的粒子，最后打到底片上的位置离S3越远 探究新知——典例探究 【解析】粒子在电场中加速，有qU=mv2，解得v=，A正确； 粒子在磁场中做匀速圆周运动，有qvB=m，解得r=，可知电荷 量相同质量越大的粒子，半径r越大，最后打到底片上的位置离S3越远，B、D错误，C正确。 探究新知——典例探究 【例2】(来自教材)某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示，A为粒子加速器，加速电压为U1；B为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，两板间距离为d；C为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为e的正粒子(不计重力 )，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动。 (1)粒子的速度v为多少？ (2)速度选择器两板间电压U2为多少？ (3)粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？ 探究新知——典例探究 【解析】（1）正粒子经加速电场加速，获得速度v，由动能定理得eU1=mv2 解得v= （2）粒子在速度选择器中做匀速直线运动，静电力与洛伦兹力平衡， 由平衡条件得=evB1 解得U2=B1dv=B1d （3）粒子在B2磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力， 由牛顿第二定律得evB2=m 解得R==。 02 PART 02 第二部分 回旋加速器 探究新知 17 探究新知——问题引出 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？ 探究新知——直线加速器 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？ 探究新知——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。 探究新知——回旋加速器 探究新知——回旋加速器 接高频 电源 狭缝 原理图 粒子源             回旋加速器要如何设置才能保证电荷被加速？ 带电粒子在D形盒中运行的周期： 加速条件 每过 电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。 探究新知——回旋加速器 带电粒子加速后速度增大,周期需要改变吗?如果改变，这将带来什么技术难关，你觉得如何改进？ 粒子速度v接近光速c时，质量变大，在磁场中运动周期改变，与交变电场周期不同步。 改进： 探究新知——典例探究 【例3】(2024·福州市高二期末)如图所示为一个回旋加速器的示意图，D形盒半径为R，磁感应强度为B的匀强磁场垂直D形盒底面，两盒间接交流电压U。设质子的质量为m、电荷量为q，则下列说法正确的是 A.只增大半径R无法增加质子离开D形盒的速度 B.只增大磁感应强度B可以增加质子离开D形盒的速度 C.只增大交流电压U可以增加质子离开D形盒的速度 D.交流电压的变化周期为 探究新知——典例探究 【解析】当质子离开D形盒时，轨迹半径等于D形盒半径R，由洛伦兹力提供向心力可得qvmB=m，解得vm=，可知只增大半径R可以增加质子离开D形盒的速度，只增大磁感应强度B可以增加质子离开D形盒的速度，只增大交流电压U无法增加质子离开D形盒的速度，故A、C错误，B正确；交流电压的变化周期等于质子在磁场中的运动周期，则有T电=T=，故D错误。 探究新知——典例探究 【例4】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； (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。 探究新知——典例探究 【解析】（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=。 探究新知——典例探究 （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=。 探究新知——典例探究 【拓展】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？ 探究新知——典例探究 【解析】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。正确的画法是：轨迹间距不相等，轨迹半径越大，Δd越小，轨迹越密。 课堂小结 一. 质谱仪 二. 回旋加速器 由： 条件： 粒子能量： 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 布置作业 1.认真阅读课本本节内容，并完成课后“练习与应用”； 2.完成分层作业。 谢谢聆听 鼎力物理制作，盗版必究 谢谢聆听 Lavf58.29.100 1.（2025-2026·山东青岛高二上期中）回旋加速器工作原理如图所示。和是两个中空的半圆金属盒，两盒间加有周期性变化的电压U，两盒处有与盒面垂直的匀强磁场中，A处为粒子产生源。下列说法正确的是(  ) A.增大电压U，粒子的出射速度变大 B.增大磁感应强度B，粒子出射速度不变 C.电压U变化的周期必须和粒子在磁场中运动的周期相同 D.由于粒子被多次加速，所以粒子在磁场中的运动周期越来越大 $