【課件】質(zhì)譜儀與回旋加速器+課件高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第二冊

第一章安培力與洛倫茲力第4節(jié)質(zhì)譜儀與回旋加速器在科學(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？情境與思考對帶電粒子有力的作用電場磁場使帶電粒子加速使帶電粒子做勻速圓周運動

m不同，r不同，從而可以分開質(zhì)譜儀——科學(xué)研究中用來分析同位素和測量帶電粒子質(zhì)量的重要工具帶電粒子注入器(電離室)加速電場(U)速度選擇器(B1、E)偏轉(zhuǎn)磁場(B2)照相底片②加速電場：帶電粒子獲得速度為③速度選擇器：只有滿足，即

的粒子才能通過速度選擇器④偏轉(zhuǎn)磁場：帶電粒子做勻速圓周運動，

其運動半徑為帶電粒子注入器(電離室)加速電場(U)速度選擇器

(B1、E)偏轉(zhuǎn)磁場(B2)照相底片質(zhì)譜儀——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①電離室：qvB1

=

qE

使中性氣體電離，產(chǎn)生帶電粒子⑤照相底片：帶電粒子的偏轉(zhuǎn)距離為x=2r聯(lián)立上式可得，粒子的比荷為：

⑥如果帶電粒子的電荷量相同，質(zhì)量不同，就會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)量對應(yīng)著不同譜線，叫作質(zhì)譜線粒子的質(zhì)量為：

帶電粒子注入器(電離室)加速電場(U)：速度選擇器：

(B1、E)偏轉(zhuǎn)磁場(B2)：：照相底片

qvB1

=

qE，即x=2r例1.(多選)如圖所示是質(zhì)譜議的工作原理示意圖。帶電粒子被加速電場加速后，進入速度選擇器。速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強磁場和勻強電場的強度分別為B和E。平板S上有可讓粒子通過的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2。平板S下方有強度為B0的勻強磁場。下列表述正確的是()A.質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具B.速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向外C.能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于E/BD.粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的荷質(zhì)比越小ABC

帶電粒子注入器(電離室)加速電場(U)：速度選擇器：

(B1、E)偏轉(zhuǎn)磁場(B2)：：照相底片

qvB1

=

qE，即x=2r

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？

如圖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，其加速裝置要很長很長。要認識原子核內(nèi)部的情況，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。多級加速器回旋加速器勞倫斯第一臺回旋加速器1.回旋加速器的發(fā)明1932年美國物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)對帶電粒子進行多級加速2.回旋加速器的工作原理

電場對帶電粒子：磁場對運動電荷：窄縫加速兩個D形盒偏轉(zhuǎn)接高頻電源狹縫原理圖B粒子源回旋加速器①磁場的作用：粒子做勻速圓周運動，其周期為(

)，帶電粒子每次進入D形盒都運動相等的時間()后平行電場方向進入電場中加速②電場的作用：兩個D形盒之間的狹縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩D形盒正對截面的勻強電場，帶電粒子被加速③交變電場的變化周期:為保證帶電粒子每次經(jīng)過狹縫時都被加速，則在狹縫兩側(cè)加的交變電壓與帶電粒子在D形盒中運動周期相同()④帶電粒子的軌跡特點:

⑤兩個D形盒之間的窄縫很小很小，故帶電粒子在電場中的加速時間可以半個周期

不變忽略不計

接高頻電源狹縫粒子源

B回旋加速器思考：帶電粒子被加速后最終的能量是多少呢？

（設(shè)D形盒半徑為R）

故帶電粒子最終動能為與加速電壓無關(guān)，只與磁感應(yīng)強度B和D形盒半徑R有關(guān)

接高頻電源狹縫粒子源

B最終動能為：

周期相同：(加速時間可以忽略不計)接高頻電源狹縫粒子源

B

AC最大速度為：

霍爾效應(yīng)1879年，美國霍普金斯大學(xué)研究生霍耳（E.H.Hall，1855-1938）發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流垂直于外磁場通過半導(dǎo)體時，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加電場，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。原理：例1.海底通信電纜通電后會產(chǎn)生磁場?？茖W(xué)家為了檢測某一海域中磁感應(yīng)強度的大小，利用圖中一塊長為a、厚為b、寬為c、單位體積內(nèi)自由電子數(shù)為n的金屬霍爾元件，放在海底磁場中，當(dāng)有如圖所示的恒定電流I(電流方向和磁場方向垂直)通過元件時，會產(chǎn)生霍爾電勢差UH，通過元件參數(shù)可以求得此時海底的磁感應(yīng)強度B的大小(地磁場較弱，可以忽略)。下列說法正確的是(

)A.元件上表面的電勢高于下表面的電勢B.僅增大霍爾元件的寬度c，上、下表面的電勢差不變C.僅增大霍爾元件的厚度b，上、下表面的電勢差不變D.其他條件一定時，霍爾電壓越小，則該處的磁感應(yīng)強度越大C電磁流量計：計量單位時間內(nèi)流過橫截面積的液體體積2.原理圓形導(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縱向偏轉(zhuǎn)，a、b間出現(xiàn)電勢差，就會形成電場