高二物理《質(zhì)譜儀與回旋加速器》

問題在科學(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？一、質(zhì)譜儀一、質(zhì)譜儀1.定義：利用磁場對帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，由帶電粒子的電荷量、軌道半徑確定其質(zhì)量的儀器。一、質(zhì)譜儀1.定義：利用磁場對帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，由帶電粒子的電荷量、軌道半徑確定其質(zhì)量的儀器。2.組成：由粒子源容器、加速電場、偏轉(zhuǎn)磁場和底片組成，運動過程如圖所示。3.工作原理：(1)在加速電場中，帶電粒子獲得速度，即3.工作原理：(1)在加速電場中，帶電粒子獲得速度，即(2)在速度選擇器中，只有滿足qvB1=qE，即

粒子才能通過速度選擇器。3.工作原理：(1)在加速電場中，帶電粒子獲得速度，即(2)在速度選擇器中，只有滿足qvB1=qE，即

粒子才能通過速度選擇器。(3)在偏轉(zhuǎn)磁場中，帶電粒子做勻速圓周運動，其運動半徑為：3.工作原理：(1)在加速電場中，帶電粒子獲得速度，即(2)在速度選擇器中，只有滿足qvB1=qE，即

粒子才能通過速度選擇器。(3)在偏轉(zhuǎn)磁場中，帶電粒子做勻速圓周運動，其運動半徑為：(4)在偏轉(zhuǎn)電場中，帶電粒子的偏轉(zhuǎn)距離為x=2r3.工作原理：(1)在加速電場中，帶電粒子獲得速度，即(2)在速度選擇器中，只有滿足qvB1=qE，即

粒子才能通過速度選擇器。(3)在偏轉(zhuǎn)磁場中，帶電粒子做勻速圓周運動，其運動半徑為：(4)在偏轉(zhuǎn)電場中，帶電粒子的偏轉(zhuǎn)距離為x=2r(5)聯(lián)立以上各式可得粒子的比荷和質(zhì)量分別為3.工作原理：(1)在加速電場中，帶電粒子獲得速度，即(2)在速度選擇器中，只有滿足qvB1=qE，即

粒子才能通過速度選擇器。(3)在偏轉(zhuǎn)磁場中，帶電粒子做勻速圓周運動，其運動半徑為：(4)在偏轉(zhuǎn)電場中，帶電粒子的偏轉(zhuǎn)距離為x=2r(5)聯(lián)立以上各式可得粒子的比荷和質(zhì)量分別為4.測量：不同質(zhì)量的帶電粒子打出不同譜線,每一條譜線對應(yīng)一定的質(zhì)量（或比荷）.3.工作原理：例1.如圖4，從離子源產(chǎn)生的甲、乙兩種離子，由靜止經(jīng)加速電壓U加速后在紙面內(nèi)水平向右運動，自M點垂直于磁場邊界射入勻強磁場，磁場方向垂直于紙面向里，磁場左邊界豎直.已知甲種離子射入磁場的速度大小為v1，并在磁場邊界的N點射出；乙種離子在MN的中點射出；MN長為l.不計重力影響和離子間的相互作用.求：(1)磁場的磁感應(yīng)強度大?。粓D4例1.如圖4，從離子源產(chǎn)生的甲、乙兩種離子，由靜止經(jīng)加速電壓U加速后在紙面內(nèi)水平向右運動，自M點垂直于磁場邊界射入勻強磁場，磁場方向垂直于紙面向里，磁場左邊界豎直.已知甲種離子射入磁場的速度大小為v1，并在磁場邊界的N點射出；乙種離子在MN的中點射出；MN長為l.不計重力影響和離子間的相互作用.求：(1)磁場的磁感應(yīng)強度大小；圖4解析設(shè)甲種離子所帶電荷量為q1，質(zhì)量為m1，在磁場中做勻速圓周運動的半徑為R1，磁場的磁感應(yīng)強度大小為B，由幾何關(guān)系知2R1＝l ③(2)甲、乙兩種離子的比荷之比.(2)甲、乙兩種離子的比荷之比.答案1∶4解析設(shè)乙種離子所帶電荷量為q2，質(zhì)量為m2，射入磁場的速度為v2，在磁場中做勻速圓周運動的半徑為R2.1.直線加速器二、加速器1.直線加速器(1)加速原理：

利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電粒子的動能增加二、加速器1.直線加速器(2)直線加速器，多級加速

如圖所示是多級加速裝置的原理圖：(1)加速原理：

利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電粒子的動能增加二、加速器2.回旋加速器21-12-08回旋加速器.swf[例題2]回旋加速器中磁場的磁感

應(yīng)強度為B，D形盒的半徑為R，用該回旋加速器加速質(zhì)量為m、電量為q的粒子，設(shè)粒子加速前的初速度為零。求： （1）粒子的回轉(zhuǎn)周期是多大？ （2）高頻電極的頻率為多大？ （3）粒子的最大動能是多大？[例題2]回旋加速器中磁場的磁感

應(yīng)強度為B，D形盒的半徑為R，用該回旋加速器加速質(zhì)量為m、電量為q的粒子，設(shè)粒子加速前的初速度為零。求： （1）粒子的回轉(zhuǎn)周期是多大？ （2）高頻電極的頻率為多大？ （3）粒子的最大動能是多大？[帶電粒子的最終能量]

當(dāng)帶電粒子的速度最大時，其運動半徑也最大，由r=mv/qB得v=rqB/m，若D形盒的半徑為R，則帶電粒子的最終動能：

所以，要提高加速粒子的最終能量，應(yīng)盡可能增大磁感應(yīng)強度B和D形盒的半徑R。為什么帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無關(guān)？思考與討論：為什么帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無關(guān)？思考與討論：

回旋加速器利用兩D形盒窄縫間的電場使帶電粒子加速，利用D形盒內(nèi)的磁場使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，帶電粒子所能獲得的最終能量與B和R有關(guān)，與U無關(guān).[小結(jié)]思考與討論：

如果盡量增強回旋加速器的磁場或加大D形盒半徑，我們是不是就可以使帶電粒子獲得任意高的能量嗎？思考與討論：

如果盡量增強回旋加速器的磁場或加大D形盒半徑，我們是不是就可以使帶電粒子獲得任意高的能量嗎？不能【拓展】

設(shè)在回旋加速器D形盒中加的勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B，D形盒最大半徑為R,用來加速質(zhì)量為m、帶電荷量為q的離子,每次加速時的電壓為U，保持不變,現(xiàn)將離子加速到最大動能,從D形盒邊緣引出,求離子從靜止開始加速到引出的全過程的運動總時間(忽略加速過程的時間).【拓展】

設(shè)在回旋加速器D形盒中加的勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B，D形盒最大半徑為R,用來加速質(zhì)量為m、帶電荷量為q的離子,每次加速時的電壓為U，保持不變,現(xiàn)將離子加速到最大動能,從D形盒邊緣引出,求離子從靜止開始加速到引出的全過程的運動總時間(忽略加速過程的時間).【拓展】

設(shè)在回旋加速器D形盒中加的勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B，D形盒最大半徑為R,用來加速質(zhì)量為m、帶電荷量為q的離子,每次加速時的電壓為U，保持不變,現(xiàn)將離子加速到最大動能,從D形盒邊緣引出,求離子從靜止開始加速到引出的全過程的運動總時間(忽略加速過程的時間).【拓展】若加速過程的時間不能忽略又如何？【拓展】

設(shè)在回旋加速器D形盒中加的勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B，D形盒最大半徑為R,用來加速質(zhì)量為m、帶電荷量為q的離子,