高中物理(新教材)選修二課件1：1-4質(zhì)譜儀與回旋加速器 人教版

1.4質(zhì)譜儀與回旋加速器學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知道質(zhì)譜儀、回旋加速器的結(jié)構(gòu)及工作原理；2.掌握粒子在磁場中運(yùn)動的半徑和粒子的比荷；3.了解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的偏轉(zhuǎn)及其應(yīng)用。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(jì)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。組成：由粒子源容器、加速電場、偏轉(zhuǎn)磁場和底片組成，運(yùn)動過程如圖所示。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(yùn)動，其運(yùn)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)著不同的譜線，叫作質(zhì)譜線。例1：1922年英國物理學(xué)家阿斯頓因質(zhì)譜儀的發(fā)明、同位素和質(zhì)譜的研究榮獲了諾貝爾化學(xué)獎．若速度相同的同一束粒子由左端射入質(zhì)譜儀后的運(yùn)動軌跡如圖所示，則下列相關(guān)說法中正確的是(

)A．該束粒子帶負(fù)電B．速度選擇器的P1極板帶正電C．在B2磁場中運(yùn)動半徑越大的粒子，質(zhì)量越大D．在B2磁場中運(yùn)動半徑越大的粒子，比荷越小BD例2：質(zhì)譜儀的構(gòu)造原理如圖所示，從粒子源S出來時(shí)的粒子速度很小，可以看作初速度為零，粒子經(jīng)過電場加速后進(jìn)入有界的垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場區(qū)域，并沿著半圓周運(yùn)動而達(dá)到照相底片上的P點(diǎn)，測得P點(diǎn)到入口的距離為x，則以下說法正確的是(

)A.粒子一定帶正電B.粒子一定帶負(fù)電C.x越大，則粒子的質(zhì)量與電荷量之比一定越大D.x越大，則粒子的質(zhì)量與電荷量之比一定越小AC二、回旋加速器加速器是對物理粒子進(jìn)行加速，從而對其他粒子實(shí)現(xiàn)高速撞擊后借以研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)備。1932年美國物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了世界上第一臺回旋加速器，上第一臺回旋加速器。這種加速器既可用于核物理實(shí)驗(yàn)，也可用于早期的粒子物理實(shí)驗(yàn)，他因此單獨(dú)獲得了1939年的諾貝爾物理學(xué)獎。二、回旋加速器加速器是對物理粒子進(jìn)行加速，從而對其他粒子實(shí)現(xiàn)高速撞擊后借以研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)備。1932年美國物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了世界上第一臺回旋加速器，上第一臺回旋加速器。這種加速器既可用于核物理實(shí)驗(yàn)，也可用于早期的粒子物理實(shí)驗(yàn)，他因此單獨(dú)獲得了1939年的諾貝爾物理學(xué)獎。回旋加速器的構(gòu)造：兩個D形盒，兩D形盒接交流電源，D形盒處于垂直于D形盒的勻強(qiáng)磁場中，如圖所示。工作原理：利用電場對帶電粒子的加速作用和磁場對運(yùn)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形盒和其間的窄縫內(nèi)完成。①電場的作用回旋加速器的兩個D形盒之間的狹縫區(qū)域存在周期性變化的且垂直于兩個D形盒正對截面的勻強(qiáng)電場，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時(shí)被加速。②磁場作用帶電粒子以某一速度垂直磁場方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場后，在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動。其周期在q、m、B不變的情況下與速度和軌道半徑無關(guān)，帶電粒子每次進(jìn)入D形盒都運(yùn)動半個周期后平行電場方向進(jìn)入電場加速。③交變電壓的作用為保證粒子每次經(jīng)過狹縫時(shí)都被加速，使之能量不斷提高，需在狹縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動周期相同的交變電壓。由于技術(shù)條件的限制，兩極電壓不可能無限提高，因此常常采用多級加速的辦法。在多級加速器中粒子做直線運(yùn)動，加速裝置要很長很長，占有的空間范圍很大，在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。說明：1.粒子每經(jīng)過一次加速，其軌道半徑就大一些，但粒子在勻強(qiáng)磁場中做圓周運(yùn)動的周期不變。2.因?yàn)閮蓚€D形盒之間的窄縫很小，所以帶電粒子在電場中的加速時(shí)間可以忽略不計(jì)。3.回旋加速器加速的帶電粒子，能量達(dá)到25~30MeV后。就很難加速了，原因是，按照狹義相對論，粒子的質(zhì)量隨著速度的增加而增大，而質(zhì)量的變化會導(dǎo)致其回轉(zhuǎn)周期的變化，從而破壞了與電場變化周期的同步。說明：1.粒子每經(jīng)過一次加速，其軌道半徑就大一些，但粒子在勻強(qiáng)磁場中做圓周運(yùn)動的周期不變。2.因?yàn)閮蓚€D形盒之間的窄縫很小，所以帶電粒子在電場中的加速時(shí)間可以忽略不計(jì)。3.回旋加速器加速的帶電粒子，能量達(dá)到25~30MeV后。就很難加速了，原因是，按照狹義相對論，粒子的質(zhì)量隨著速度的增加而增大，而質(zhì)量的變化會導(dǎo)致其回轉(zhuǎn)周期的變化，從而破壞了與電場變化周期的同步。例3：如圖是醫(yī)用回旋加速器示意圖，其核心部分是兩個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．它們的最大動能相同C．它們在D形盒中運(yùn)動的周期相同D．僅增大高頻電源的頻率可增大粒子的最大動能AC例4：如圖所示，回旋加速器是用來加速帶電粒子使它獲得很大動能的裝置，其核心部分是兩個D形金屬盒，置于勻強(qiáng)磁場中，兩盒分別與高頻電源相連。下列說法正確的有(

)A.粒子被加速后的最大速度隨磁感應(yīng)強(qiáng)度和D形盒的半徑的增大而增大B.粒子被加速后的最大動能隨高頻電源的加速電壓的增大而增大C.高頻電源頻率由粒子的質(zhì)量、電荷量和磁感應(yīng)強(qiáng)度決定D.粒子從磁場中獲得能量AC備用工具&資料例3：如圖是醫(yī)用回旋加速器示意圖，其核心部分是兩個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。現(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．它們的最大動能相同C．它們在D形盒中運(yùn)動的周期相同D．僅增大高頻電源的頻率可增大粒子的最大動能AC由于技術(shù)條件的限制，兩極電壓不可能無限提高，因此常常采用多級加速的辦法。在多級加速器中粒子做直線運(yùn)動，加速裝置要很長很長，占有的空間范圍很大，在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。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(jì)一個方案，以便分開電荷量相同、質(zhì)量不同的帶電粒子嗎？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)著不同的譜線，叫作質(zhì)譜線。例1：1922年英國物理學(xué)家阿斯頓因質(zhì)譜儀的發(fā)明、同位素和質(zhì)譜的研究榮獲了諾貝爾化學(xué)獎．若速度相同的同一束粒子由左端射入質(zhì)譜儀后的運(yùn)動軌跡如圖所示，則下列相關(guān)說法中正確的是(

)A．該束粒子帶負(fù)電B．速度選擇器的P1極板帶正電C．在B2磁場中運(yùn)動半徑越大的粒子，質(zhì)量越大D．在B2磁場中運(yùn)動半徑越大