高中物理(新教材)選修二課件4：1-4質(zhì)譜儀與回旋加速器 人教版

第一章安培力與洛倫茲力4質(zhì)譜儀與回旋加速器1.了解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)及其應(yīng)用。2.了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的工作原理。學(xué)習(xí)目標(biāo)一、質(zhì)譜儀1.定義：利用磁場(chǎng)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。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(chǎng)：使帶電粒子獲得速度③粒子速度選擇器：以相同速度進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)④偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：使不同帶電粒子偏轉(zhuǎn)分離⑤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(chǎng)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)照相底片速度選擇器課堂探究原理圖

加速電場(chǎng)速度選擇器3.原理：

在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中：

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。4.作用：①可測(cè)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例1(多選)如圖是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖,帶電粒子被加速電場(chǎng)加速后,進(jìn)入速度選擇器。速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為B和E。平板S上有可讓粒子通過(guò)的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2。平板S下方有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。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(chǎng)方向垂直紙面向外D.粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P,粒子的比荷越小

答案

ABC

接高頻電源狹縫原理圖原理圖粒子源

二、回旋加速器

二、回旋加速器

周期跟軌道半徑和運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)盡管速率和半徑一次比一次大，運(yùn)動(dòng)周期卻始終不變。這樣,如果在兩盒間加一個(gè)交變電場(chǎng),使它也以同樣的周期往復(fù)變化,那就可以保證粒子每經(jīng)過(guò)電場(chǎng)時(shí),都正好趕上適合的電場(chǎng)方向而被加速。

二、回旋加速器

周期跟軌道半徑和運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)盡管速率和半徑一次比一次大，運(yùn)動(dòng)周期卻始終不變。這樣,如果在兩盒間加一個(gè)交變電場(chǎng),使它也以同樣的周期往復(fù)變化,那就可以保證粒子每經(jīng)過(guò)電場(chǎng)時(shí),都正好趕上適合的電場(chǎng)方向而被加速。

1929年，勞倫斯發(fā)明了后來(lái)被稱為回旋加速器的“原子擊破器”，1932年建成世界第一臺(tái)回旋加速器。這是一種有奇特效能的能夠加速帶電粒子的裝置。以后逐漸加大尺寸，在許多地方建成了一系列回旋加速器，致使他在加利福尼亞州伯克利的輻射實(shí)驗(yàn)室成為世界物理學(xué)家參觀學(xué)習(xí)的基地。

在二戰(zhàn)美國(guó)研制原子彈期間，勞倫斯從事過(guò)用電磁法分離鈾－235，以及用加速器生產(chǎn)钚－239的實(shí)驗(yàn)研究，為探尋獲取美國(guó)首批原子彈的裝料途徑做出了獨(dú)特的貢獻(xiàn)。到1948年，由勞倫斯建議制造的大型回旋加速器已能提供α粒子束、氘粒子束和質(zhì)子束。同年初，物理學(xué)家加德西和拉蒂斯用回旋加速器的380MeVα粒子找到了介子，不久美國(guó)即開(kāi)始建造第一座π介子工廠。從此，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)高能物理的新時(shí)代。由于勞倫斯的倡議和推動(dòng)，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)建造了一臺(tái)6GeV高能質(zhì)子同步穩(wěn)相加速器。物理學(xué)家們?cè)谶@臺(tái)巨型加速器上進(jìn)行高能物理研究，完成了一系列重大發(fā)現(xiàn)。正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)對(duì)撞機(jī)外景1958年6月10日，我國(guó)第一臺(tái)回旋加速器調(diào)試出束北京35MeV質(zhì)子直線加速器

35MeV加速器中能束流疏運(yùn)線分叉35MeV加速器主體北京35MeV質(zhì)子直線加速器

35MeV加速器中能束流疏運(yùn)線分叉35MeV加速器主體例2(多選)一個(gè)用于加速質(zhì)子的回旋加速器,其核心部分如圖所示,D形盒半徑為R,垂直D形盒面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,兩盒分別與交流電源相連。設(shè)質(zhì)子的質(zhì)量為m、電荷量為q,則下列說(shuō)法正確的是(

)B.質(zhì)子被加速后的最大速度隨B、R的增大而增大C.質(zhì)子被加速后的最大速度隨加速電壓的增大而增大D.只要R足夠大,質(zhì)子的速度可以被加速到任意值答案

AB

1．正誤判斷（正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”）（1）帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角等于運(yùn)動(dòng)軌跡圓弧所對(duì)應(yīng)的圓心角的2倍。（）（2）帶電粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí)，速度的方向改變而速度的大小不變。（）（3）速度選擇器既可以選擇粒子的速度，也可以選擇粒子的電性。（）（4）應(yīng)用質(zhì)譜儀可以測(cè)定帶電粒子的比荷。（）（5）回旋加速器兩狹縫可以接直流電源。（）×××√√課堂達(dá)標(biāo)

AD3．回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電極相連接的兩個(gè)D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的電場(chǎng)，使粒子在通過(guò)狹縫時(shí)都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示，要增大帶電粒子射出時(shí)的動(dòng)能，則下列說(shuō)法中正確的是（）A．增大勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓B．減小磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度C．減小周期性變化的電場(chǎng)的頻率D．增大D形金屬盒的半徑D

C5．如圖所示，回旋加速器D形盒的半徑為R，用來(lái)加速質(zhì)量為m，電量為q的質(zhì)子，質(zhì)子每次經(jīng)過(guò)電場(chǎng)區(qū)時(shí)，都恰好在電壓為U時(shí)被加速，且電場(chǎng)可視為勻強(qiáng)電場(chǎng)，使質(zhì)子由靜止加速到能量為E后，由A孔射出。下列說(shuō)法正確的是（）A．D形盒半徑R、磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，若加速電壓U越高，質(zhì)子的能量E將越大B．磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，若加速電壓U不變，D形盒半徑R越大，質(zhì)子的能量E將越大C．D形盒半徑R、磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，若加速電壓U越高，

質(zhì)子在加速器中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間將越長(zhǎng)D．D形盒半徑R、磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，若加速電壓U越高，

質(zhì)子在加速器中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間將越短BD備用工具&資料

C

AD一、質(zhì)譜儀1.定義：利用磁場(chǎng)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。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(chǎng)：使帶電粒子獲得速度③粒子速度選擇器：以相同速度進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)④偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：使不同帶電粒子偏轉(zhuǎn)分離⑤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(chǎng)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)照相底片速度選擇器課堂探究例1(多選)如圖是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖,帶電粒子被加速電場(chǎng)加速后,進(jìn)入速度選擇器。速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為B和E。平板S上有可讓粒子通過(guò)的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2。平板S下方有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。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(chǎng)方向垂直紙面向外D.粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P,