【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(cè)

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(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？情境與思考對(duì)帶電粒子有力的作用電場(chǎng)磁場(chǎng)使帶電粒子加速使帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)

m不同，r不同，從而可以分開質(zhì)譜儀——科學(xué)研究中用來(lái)分析同位素和測(cè)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(chǎng)(U)速度選擇器(B1、E)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(B2)照相底片②加速電場(chǎng)：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(guò)速度選擇器④偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，

其運(yùn)動(dòng)半徑為帶電粒子注入器(電離室)加速電場(chǎng)(U)速度選擇器

(B1、E)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(B2)照相底片質(zhì)譜儀——科學(xué)研究中用來(lái)分析同位素和測(cè)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(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(chǎng)(U)：速度選擇器：

(B1、E)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(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(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)和勻強(qiáng)電場(chǎng)的強(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C.能通過(guò)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(chǎng)(U)：速度選擇器：

(B1、E)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(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(chǎng)與電場(chǎng)正交，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，板間距離為d；c為偏轉(zhuǎn)分離器，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2。今有一質(zhì)量為m、電荷量為+e的正電子(不計(jì)重力)，經(jīng)加速后，該粒子恰能通過(guò)速度選擇器，粒子進(jìn)入分離器后做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。求：（1）粒子射出加速器時(shí)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(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R為多大？

如圖所示的多級(jí)加速器中，各加速區(qū)的兩板之間用獨(dú)立電源供電，所以粒子從P2飛向P3、從P4飛向P5……時(shí)不會(huì)減速。由于粒子在加速過(guò)程中的徑跡為直線，要得到較高動(dòng)能的粒子，其加速裝置要很長(zhǎng)很長(zhǎng)。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”。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(jí)加速器回旋加速器勞倫斯第一臺(tái)回旋加速器1.回旋加速器的發(fā)明1932年美國(guó)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2.回旋加速器的工作原理

電場(chǎng)對(duì)帶電粒子：磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷：窄縫加速兩個(gè)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(chǎng)的作用：粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其周期為(

)，帶電粒子每次進(jìn)入D形盒都運(yùn)動(dòng)相等的時(shí)間()后平行電場(chǎng)方向進(jìn)入電場(chǎng)中加速②電場(chǎng)的作用：兩個(gè)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(duì)截面的勻強(qiáng)電場(chǎng)，帶電粒子被加速③交變電場(chǎng)的變化周期:為保證帶電粒子每次經(jīng)過(guò)狹縫時(shí)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(yùn)動(dòng)周期相同()④帶電粒子的軌跡特點(diǎn):

⑤兩個(gè)D形盒之間的窄縫很小很小，故帶電粒子在電場(chǎng)中的加速時(shí)間可以半個(gè)周期

不變忽略不計(jì)

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(dòng)能為與加速電壓無(wú)關(guān)，只與磁感應(yīng)強(qiáng)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(dòng)能為：

周期相同：(加速時(shí)間可以忽略不計(jì))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(guó)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(chǎng)通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng)，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)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(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)?？茖W(xué)家為了檢測(cè)某一海域中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，利用圖中一塊長(zhǎng)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(chǎng)中，當(dāng)有如圖所示的恒定電流I(電流方向和磁場(chǎng)方向垂直)通過(guò)元件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)差UH，通過(guò)元件參數(shù)可以求得此時(shí)海底的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小(地磁場(chǎng)較弱，可以忽略)。下列說(shuō)法正確的是(

)A.元件上表面的電勢(shì)高于下表面的電勢(shì)B.僅增大霍爾元件的寬度c，上、下表面的電勢(shì)差不變C.僅增大霍爾元件的厚度b，上、下表面的電勢(shì)差不變D.其他條件一定時(shí)，霍爾電壓越小，則該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大C電磁流量計(jì)：計(jì)量單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)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(dòng)，導(dǎo)電液體中的自由電荷(正、負(fù)離子)在洛倫茲力的作用下縱向偏轉(zhuǎn)，a、b間出現(xiàn)電勢(shì)差，就會(huì)形成電場(chǎng)