新教材人教版高中物理選擇性必修第二冊 1.4 質(zhì)譜儀與回旋加速器 教學(xué)課件

1、第一章 安培力與洛倫茲力1.4 質(zhì)譜儀與回旋加速器1.了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的工作原理. 2.知道帶電粒子在復(fù)合場中的運動實例. 學(xué)習(xí)目標(biāo)在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，常需要將一束帶等量電荷的粒子分開，以便知道其中所含物質(zhì)的成分。利用所學(xué)的知識，你能設(shè)計一個方案，以便分開電荷量相同、質(zhì)量不同的帶電粒子嗎？新課導(dǎo)入 質(zhì)譜儀是用來分離同位素、檢測它們的相對原子質(zhì)量和相對豐度的儀器。 我們知道，電場可以對帶電粒子施加作用力，磁場也可以對運動的帶電粒子施加作用力。阿斯頓1、質(zhì)譜儀的構(gòu)造質(zhì)譜儀主要由以下幾部分組成： 帶電粒子注入器 加速電場 ( U ) 速度選擇器 ( B1、E ) 偏轉(zhuǎn)磁場 ( B2) 照相

2、底片一、質(zhì)譜儀新課講解（若無速度選擇器）2、質(zhì)譜儀的工作原理由上式可知同位素電荷量相同，但質(zhì)量有微小差別。那x就會不同，也就是說在照相底片上會打到不同的位置，從而在底片上出現(xiàn)一系列的分立的亮線，這就稱為質(zhì)譜線或譜線。（若有速度選擇器）例1、如圖所示為質(zhì)譜儀的原理圖，一束粒子以速度v沿直線穿過相互垂直的勻強電場(電場強度為E)和勻強磁場(磁感應(yīng)強度為B1)的重疊區(qū)域，然后通過狹縫S0垂直進入另一勻強磁場(磁感應(yīng)強度為B2)，最后打在照相底片上的三個不同位置，粒子的重力可忽略不計，則下列說法正確的是()A該束粒子帶負電BP1板帶負電C粒子的速度v滿足關(guān)系式D在磁感應(yīng)強度為B2的磁場中，運動半徑越大

3、的粒子，荷質(zhì)比 越小D當(dāng)堂小練 例2、質(zhì)譜儀原理如圖所示，a為粒子加速器，電壓為U1；b為速度選擇器，磁場與電場正交，磁感應(yīng)強度為B1，板間距離為d；c為偏轉(zhuǎn)分離器，磁感應(yīng)強度為B2。今有一質(zhì)量為m、電荷量為e的正電子(不計重力)，經(jīng)加速后，該粒子恰能通過速度選擇器，粒子進入分離器后做半徑為R的勻速圓周運動。求：（1）粒子射出加速器時的速度v為多少？（2）速度選擇器的電壓U2為多少？（3）粒子在B2磁場中做勻速圓周運動的半徑R為多大？ 解析：（1）在a中，e被加速電場U1加速，由動能定理有 ，得（2）在b中，e受的電場力和洛倫茲力大小相等，即 ，代入v值得 （3）在c中，e受洛倫茲力作用而做圓

4、周運動，回轉(zhuǎn)半徑 ，代入v值得例3、現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來分析比質(zhì)子重很多倍的離子，其示意圖如圖所示，其中加速電壓恒定質(zhì)子在入口處從靜止開始被加速電場加速，經(jīng)勻強磁場偏轉(zhuǎn)后從出口離開磁場若某種一價正離子在入口處從靜止開始被同一加速電場加速，為使它經(jīng)勻強磁場偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開磁場，需將磁感應(yīng)強度增加到原來的12倍此離子和質(zhì)子的質(zhì)量比約為()A11B12C121 D144D在圖 1.4-2 所示的多級加速器中，各加速區(qū)的兩板之間用獨立電源供電，所以粒子從 P2 飛向 P3、從 P4 飛向P5時不會減速。由于粒子在加速過程中的徑跡為直線，要得到較高動能的粒子，其加速裝置要很長。要認識原子核內(nèi)部的情況，

5、必須把核“打開”進行“觀察”。然而，原子核被強大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為“炮彈”去轟擊，才能把它“打開”。產(chǎn)生這些高能“炮彈”的“工廠”就是各種各樣的粒子加速器新課講解1932年,美國物理學(xué)家勞侖斯發(fā)明了回旋加速器，從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進了一大步為此，勞侖斯榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎二、回旋加速器1、回旋加速器的構(gòu)造：粒子源；兩個D形盒；勻強磁場；高頻電源；粒子引出裝置。說明：兩D形盒中有勻強磁場無電場，盒間縫隙有交變電場2、回旋加速器的工作原理利用電場對帶電粒子的加速作用和磁場對運動電荷的偏轉(zhuǎn)作用來獲得高能粒子，這些過程在回旋加速器的核心部件 兩個 D 形盒和其間的

6、窄縫內(nèi)完成。電場加速磁場偏轉(zhuǎn)獲得高能粒子（2）磁場的作用 磁場約束偏轉(zhuǎn)：（1）電場的作用： 電場加速：根據(jù)動能定理：qUEk.（3）加速條件：高頻電源的周期與帶電粒子在D形盒中運動的周期相同，即：3、決定粒子射出D形盒時最大速率的因素：當(dāng)粒子從D形盒邊緣引出時，最后半圓應(yīng)滿足：即（vm與B、R有關(guān)，而與加速電壓U無關(guān)）U每次vr次數(shù)少t短U每次vr次數(shù)多t長4、帶電粒子的最終能量 5、粒子在回旋加速器中運動的時間：在電場中運動的時間為t1，在磁場中運動的時間為 (n是粒子被加速次數(shù))，總時間為tt1t2，因為t1t2，一般認為在盒內(nèi)的時間近似等于t2.6、軌道半徑： 帶電粒子在D形金屬盒內(nèi)運動

7、的軌道半徑是不等距分布的，粒子第一次進入D形金屬盒，被加速一次，以后每次進入D形盒都被加速兩次，粒子第n次進入D形盒時，已經(jīng)被加速（2n+1）次，帶電粒子在D形盒內(nèi)任意兩個相鄰的圓形軌道半徑之比： 這個過程看似可以一直進行下去，但實際上由于相對論的效應(yīng)，粒子的質(zhì)量會隨著速度增，圓周運動的周期也增加，這樣電場于運動不在同步，也就沒辦法加速了。AB當(dāng)堂小練例3、回旋加速器是用來加速帶電粒子使它獲得很大動能的儀器，其核心部分是兩個D形金屬盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相連，以便在盒間的窄縫中形成勻強電場，使粒子每次穿過窄縫都得到加速，兩盒放在勻強磁場中，磁場方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近

8、，若粒子源射出的粒子電荷量為q，質(zhì)量為m，粒子最大回旋半徑為Rm，其運動軌跡如圖所示，問：Ut-U(1)盒中有無電場？(2)粒子在盒內(nèi)做何種運動？(3)所加交流電頻率應(yīng)是多大，粒子角速度為多大？(4)粒子離開加速器時速度是多大，最大動能為多少？(5)設(shè)兩D形盒間電場的電勢差為U，求加速到上述能量所需的時間(不計粒子在電場中運動的時間)帶電粒子在復(fù)合場中的運動實例1、電磁流量計(1)結(jié)構(gòu)：如圖所示，圓形導(dǎo)管直徑為d，用非磁性材料制成，導(dǎo)電液體在管中向左流動，導(dǎo)電液體中的自由電荷(正、負離子)在洛倫茲力的作用下橫向偏轉(zhuǎn)，a、b間出現(xiàn)電勢差，形成電場新課講解(2)原理：當(dāng)自由電荷所受的電場力和洛倫茲

9、力平衡時，a、b間的電勢差就保持穩(wěn)定，即：所以因此液體流量例：為監(jiān)測某化工廠的污水排放量，技術(shù)人員在該廠的排污管末端安裝了如圖所示的長方體流量計該裝置由絕緣材料制成，其長、寬、高分別為a、b、c，左右兩端開口在垂直于上下底面方向加一勻強磁場，前后兩個內(nèi)側(cè)面分別固定有金屬板作為電極污水充滿管口從左向右流經(jīng)該裝置時，接在M、N兩端間的電壓表將顯示兩個電極間的電壓U，若用Q表示污水流量(單位時間內(nèi)排出的污水體積)，下列說法中正確的是()AM端的電勢比N端的高B電壓表的示數(shù)U與a和b均成正比，與c無關(guān)C電壓表的示數(shù)U與污水的流量Q成正比D若污水中正負離子數(shù)相同，則電壓表的示數(shù)為0C當(dāng)堂小練2霍爾效應(yīng)：

10、(1)定義：在勻強磁場中放置一個矩形截面的載流導(dǎo)體，當(dāng)磁場方向與電流方向垂直時，導(dǎo)體在與磁場、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)了電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電勢差（霍爾電壓），其原理如圖所示實驗表明，當(dāng)磁場不太強時，電勢差U、電流I和B的關(guān)系為式中的比例系數(shù)k稱為霍爾系數(shù)新課講解(2)電勢高低的判斷：如圖，金屬導(dǎo)體中的電流I向右時，根據(jù)左手定則可得，金屬中的自由電子受到的洛倫茲力方向向上，電子在上表面聚集，因此下表面A的電勢高。(3)霍爾電壓的推導(dǎo)：導(dǎo)體中的自由電荷(電子)在洛倫茲力作用下偏轉(zhuǎn)，A、A間出現(xiàn)電勢差，當(dāng)自由電荷所受靜電力和洛倫茲力平衡時，A、A間的電勢差(UH)就保持穩(wěn)定InqvS，Shd 聯(lián)立得式中的比例系數(shù) 稱為霍爾系數(shù)例1、 (多選)為了測量某地地磁場的磁感應(yīng)強度的水平分量