質(zhì)譜儀與回旋加速器高二物理講練結(jié)合新課件

第一章

安培力與洛倫茲力選修二第一章第三節(jié)2019人教版高中物理

1.4質(zhì)譜儀與回旋加速器【課標(biāo)呈現(xiàn)】了解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)及其應(yīng)用【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的工作原理。2.經(jīng)歷兩種儀器工作原理的推導(dǎo)過程，體會(huì)邏輯推理的思維方法。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(shí)，你能設(shè)計(jì)一個(gè)方案，以便分開電荷量相同、質(zhì)量不同的帶電粒子嗎?設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：如何分離不同比荷的帶電粒子？一束帶電粒子經(jīng)電場加速后，在磁場中偏轉(zhuǎn)。（1）帶電粒子從靜止開始經(jīng)電場加速，求出電場時(shí)的速度。

（2）帶電粒子偏轉(zhuǎn)磁場中做什么運(yùn)動(dòng)？軌道半徑為多大？（3）

你會(huì)求粒子在偏轉(zhuǎn)磁場中的偏轉(zhuǎn)距離嗎？（4）

你能得出得粒子的比荷和質(zhì)量表達(dá)式嗎？經(jīng)電場加速得：由：x

=2

r比荷:質(zhì)量:弗朗西斯?阿斯頓一、質(zhì)譜儀一、質(zhì)譜儀1.質(zhì)譜儀：利用磁場對(duì)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。是科學(xué)研究中用來分析同位素和測量帶電粒子質(zhì)量的重要工具。2.結(jié)構(gòu)及作用：①電離室：使中性氣體電離，產(chǎn)生帶電粒子②加速電場：使帶電粒子獲得速度③偏轉(zhuǎn)磁場：使不同帶電粒子偏轉(zhuǎn)分離④照相底片：記錄不同粒子偏轉(zhuǎn)位置及半徑電離室加速電場偏轉(zhuǎn)磁場照相底片3.原理：4.作用：①可測粒子的質(zhì)量及比荷②與已知粒子半徑對(duì)比可發(fā)現(xiàn)未知的元素和同位素由于粒子的荷質(zhì)比不同，則做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑也不同，因此打到不同的位置。由粒子質(zhì)量公式可知，如果帶電粒子的電荷量相同，質(zhì)量有微小差別，就會(huì)打在照相底片上的不同位置，出現(xiàn)一系列的譜線，不同質(zhì)量對(duì)應(yīng)著不同的譜線，叫作質(zhì)譜線。一、質(zhì)譜儀在偏轉(zhuǎn)電場中，帶電粒子的偏轉(zhuǎn)距離為x

=2

r比荷:質(zhì)量:由：得：得：由：經(jīng)電場加速得：例1（指向目標(biāo)1、2）如圖所示，一束帶電粒子以一定的初速度沿直線通過由相互正交的勻強(qiáng)磁場（磁感應(yīng)強(qiáng)度為B）和勻強(qiáng)電場（電場強(qiáng)度為E）組成的速度選擇器，然后通過狹縫P進(jìn)入另一勻強(qiáng)磁場（磁感應(yīng)強(qiáng)度為B’），最終打在A1A2上，粒子重力不計(jì)。下列表述正確的是（

）A.粒子帶負(fù)電B.能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于E/BC.粒子打在A1A2的位置越靠近P，粒子的比荷q/m越大D.所有打在A1A2上的粒子，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B’的磁場中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間都相同解析：A、帶電粒子在磁場中向左偏轉(zhuǎn)，根據(jù)左手定則，知該粒子帶正電．故A錯(cuò)誤．

B、粒子經(jīng)過速度選擇器時(shí)所受的電場力和洛倫茲力平衡，有：qE=qvB．則v=

．故B正確．C、經(jīng)過速度選擇器進(jìn)入磁場B'的粒子速度相等，根據(jù)

知，粒子打在AlA2上的位置越靠近P，則半徑越小，粒子的比荷越大．故C正確．

D、所有打在AlA2上的粒子，在磁場B'中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的時(shí)間等于t=

，T=

，則t=

，與帶電粒子的比荷有關(guān)．故D錯(cuò)誤．

故選BC．

直線加速器要認(rèn)識(shí)原子核內(nèi)部的情況，必須把核“打開”進(jìn)行“觀察”。然而，原子核被強(qiáng)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”。那如何才能獲得需要的高能粒子呢？科學(xué)探究產(chǎn)生這些高能“炮彈”的“工廠”就是各種各樣的粒子加速器直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。能不能設(shè)計(jì)一種能實(shí)現(xiàn)多次加速，又減少占地空間的加速器呢？斯坦福直線加速器中心鳥瞰圖二、回旋加速器1932年美國物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實(shí)現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)對(duì)帶電粒子進(jìn)行多級(jí)加速。勞倫斯第一臺(tái)回旋加速器概念：利用電場對(duì)電荷的加速作用和磁場對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的偏轉(zhuǎn)作用，在較小的范圍內(nèi)來獲得高能粒子的裝置。2.結(jié)構(gòu)：回旋加速器的核心部件是:（1）兩個(gè)D形盒(半圓金屬盒）（2）A粒子源

（3）交流電源

（4）偏轉(zhuǎn)磁場二、回旋加速器原理圖二、回旋加速器U3.工作原理：（1）磁場的作用是什么？寫出粒子進(jìn)入磁場后半徑表達(dá)式？周期？粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)？

（2）電場的作用是什么？

電場使粒子加速（3）再次進(jìn)入電場，怎么保證能做加速運(yùn)動(dòng)？

（4）帶電粒子飛出回旋加速器加速時(shí)，獲得的動(dòng)能由哪些因素決定？接高頻電源狹縫原理圖粒子源

由：得：【例2】(指向目標(biāo)1、2)回旋加速器是用來加速帶電粒子，使它獲得很大動(dòng)能的儀器，其核心部分是兩個(gè)D形金屬扁盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相接，以便在盒間的窄縫中形成勻強(qiáng)電場，使粒子每次穿過狹縫都得到加速，兩盒放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，磁場方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子源射出的粒子帶電荷量為q，質(zhì)量為m，粒子最大回旋半徑為Rm，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示。問：

(1)D形盒內(nèi)有無電場？(2)粒子在盒內(nèi)做何種運(yùn)動(dòng)？(3)所加交流電壓頻率應(yīng)是多大？(4)粒子離開加速器時(shí)速度為多大？動(dòng)能為多少？拓展：求帶電粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。解析：（1）加速器由D形盒盒間縫隙組成，盒間縫隙對(duì)粒子加速有有電場，D形盒起到讓粒子旋轉(zhuǎn)再次通過盒間縫隙進(jìn)行加速，要做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，沒有電場．則有電場只存在于兩盒之間，而盒內(nèi)無電場（2）粒子在磁場中只受洛倫茲力作用，洛倫茲力始終與速度垂直，粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)（3）粒子速度增加則半徑增加，當(dāng)軌道半徑達(dá)到最大半徑時(shí)速度最大

由R=

得Vmax=

則其最大動(dòng)能為：Ekmax=

mv2max=

1.（多選）1932年勞倫斯制成了世界上第一臺(tái)回旋加速器，其原理如圖所示，這臺(tái)加速器由兩個(gè)銅質(zhì)D形盒D1、D2構(gòu)成，其間留有空隙，下列說法正確的是(

)A．帶電粒子由加速器的中心附近進(jìn)入加速器B．帶電粒子由加速器的邊緣進(jìn)入加速器C．電場使帶電粒子加速，磁場使帶電粒子旋轉(zhuǎn)D．離子從D形盒射出時(shí)的動(dòng)能與加速電場的電壓無關(guān)ACD當(dāng)堂檢測2.（多選）如圖是醫(yī)用回旋加速器示意圖，其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒，兩金屬盒置于勻強(qiáng)磁場中，并分別與高頻電源相連?，F(xiàn)分別加速氘核(H)和氦核(He)。下列說法中正確的是(

)

A．它們的最大速度相同B．它們的最大動(dòng)能相同C．它們在D形盒中運(yùn)動(dòng)的周期相同D．僅增大高頻電源的頻率可增大粒子的最大動(dòng)能AC當(dāng)堂檢測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