高中人教物理選擇性必修二.4 質譜儀與回旋加速器（課件）同步備課

1、人教版 選擇性必修第二冊1.4 質譜儀與回旋加速器 第一章 安培力與洛倫茲力復習： 1、帶電粒子的磁場中勻速圓周運動的產生條件： 粒子垂直進入勻強磁場 粒子只受洛倫茲力 2、規(guī)律： 洛倫茲力充當向心力 3、重要結論： 在科學研究和工業(yè)生產中，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的成分。利用所學的知識，你能設計一個方案，以便分開電荷量相同、質量不同的帶電粒子嗎？思考 1. 質譜儀質譜儀是科學研究中用來分析同位素和測量帶電粒子質量的重要工具。質譜儀 2. 質譜儀的構造質譜儀主要由以下幾部分組成： 帶電粒子注入器 加速電場 ( U ) 速度選擇器 ( B1、E ) 偏轉磁場 ( B

2、2) 照相底片 3. 質譜儀的工作原理（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）在偏轉磁場中，帶電粒子做勻速圓周運動，其運動半徑為： （4）在偏轉電場中，帶電粒子的偏轉距離為 x = 2 r（5）聯(lián)立以上各式可得粒子的比荷和質量分別為（6）由粒子質量公式可知，如果帶電粒子的電荷量相同，質量有微小差別，就會打在照相底片上的不同位置，出現(xiàn)一系列的譜線，不同質量對應著不同的譜線，叫作質譜線。 3. 質譜儀的工作原理 例.（多選）如圖所示是質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。速度選擇器內相互

3、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/B D粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫 P ，粒子的荷質比越小ABCqEqvB 例. 質譜儀原理如圖所示，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，磁感應強度為B1，板間距離為d；c為偏轉分離器，磁感應強度為B2。今有一質量為m、電荷量為e的正電子(不計重力)，經加速后，該粒子恰能通過速度選擇器，粒子進入分離器后

4、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？ 解析：（1）在a中，e被加速電場U1加速，由動能定理有 ，得（2）在b中，e受的電場力和洛倫茲力大小相等，即 ，代入v值得（3）在c中，e受洛倫茲力作用而做圓周運動，回轉半徑 ，代入v值得在圖 1.4-2 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。要認識原子核內部的情況，必須把核“打開”進行“觀察

5、”。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”。產生這些高能“炮彈”的“工廠”就是各種各樣的粒子加速器1. 回旋加速器的發(fā)明1932 年美國物理學家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實現(xiàn)了在較小的空間范圍內對帶電粒子進行多級加速?；匦铀倨鲃趥愃沟谝慌_回旋加速器2. 回旋加速器的工作原理利用電場對帶電粒子的加速作用和磁場對運動電荷的偏轉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完成。（1）磁場的作用 帶電粒子以某一速度垂直磁場方向進入勻強磁場后，在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，其周期與速率、半徑均無關（ ），帶電粒子每次進

6、入 D 形盒都運動相等的時間（半個周期）后平行電場方向進入電場中加速。（2）電場的作用 回旋加速器兩個 D 形盒之間的窄縫區(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，帶電粒子經過該區(qū)域時被加速。2. 回旋加速器的工作原理（3）交變電場的作用及變化周期為保證帶電粒子每次經過窄縫時都被加速，使之能量不斷提高，需在窄縫兩側加上跟帶電粒子在 D 形盒中運動周期相同（ ）的交變電壓。（4）帶電粒子的軌跡特點粒子每經過一次加速，其軌道半徑就大一些，但粒子在勻強磁場中做圓周運動的周期不變。（5）因為兩個D形盒之間的窄縫很小，所以帶電粒子在電場中的加速時間可以忽略不計。 2. 回旋加速器的工作

7、原理3. 帶電粒子的最終能量 當帶電粒子的速度最大時，其運動半徑也最大，由半徑公式得若 D 形盒半徑為R，則帶電粒子的最終動能 可見，帶電粒子經回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無關，只與磁感應強度 B 和 D 形盒半徑 R 有關。 例.（多選）1932年勞倫斯制成了世界上第一臺回旋加速器，其原理如圖所示，這臺加速器由兩個銅質D形盒D1、D2構成，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入加速器B帶電粒子由加速器的邊緣進入加速器C電場使帶電粒子加速，磁場使帶電粒子旋轉D離子從D形盒射出時的動能與加速電場的電壓無關 例.（多選）如圖是醫(yī)用回旋加速器示意圖，其核心部分是

8、兩個D形金屬盒，兩金屬盒置于勻強磁場中，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帶電粒子在復合場中的運動實例1電磁流量計(1)結構：如圖所示，圓形導管直徑為d，用非磁性材料制成，導電液體在管中向左流動，導電液體中的自由電荷(正、負離子)在洛倫茲力的作用下橫向偏轉，a、b間出現(xiàn)電勢差，形成電場(2)原理：當自由電荷所受的電場力和洛倫茲力平衡時，a、b間的電勢差就保持穩(wěn)定，即：所以因此液體流量2霍爾效應：(1)定義：在勻強磁場中放置一個矩形截面

9、的載流導體，當磁場方向與電流方向垂直時，導體在與磁場、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)了電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應，所產生的電勢差稱為霍爾電勢差（霍爾電壓），其原理如圖所示實驗表明，當磁場不太強時，電勢差U、電流I和B的關系為式中的比例系數(shù)k稱為霍爾系數(shù)(2)電勢高低的判斷：如圖，金屬導體中的電流I向右時，根據(jù)左手定則可得，金屬中的自由電子受到的洛倫茲力方向向上，電子在上表面聚集，因此下表面A的電勢高。(3)霍爾電壓的推導：導體中的自由電荷(電子)在洛倫茲力作用下偏轉，A、A間出現(xiàn)電勢差，當自由電荷所受靜電力和洛倫茲力平衡時，A、A間的電勢差(U)就保持穩(wěn)定InqvS，Shd聯(lián)立得式中的比例系數(shù)

10、稱為霍爾系數(shù)1、如圖所示是質譜儀的示意圖。已知速度選擇器中的磁場B1=0.40T，電場E=1.00105N/C；偏轉分離器中的勻強磁場B2=0.50T?，F(xiàn)有帶一個基元電荷電量的兩種銅離子，在感光底片上得到兩個感光點A1、A2，測得SA1=0.658m，SA2=0.679m。求兩種銅離子的質量數(shù)。（已知e=1.6010-19C，mp=1.6710-27kg）課堂練習2、回旋加速器是用來加速帶電粒子使它獲得很大動能的儀器，其核心部分是兩個D形金屬盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相連，以便在盒間的窄縫中形成勻強電場，使粒子每次穿過窄縫都得到加速，兩盒放在勻強磁場中，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