高中物理(新教材)選修二課件2：1-4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.掌握質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)及工作原理，掌握粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的半徑和粒子的比荷。2.知道回旋加速器的構(gòu)造及工作原理，知道交流電的周期與粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期之間的關(guān)系，知道決定粒子最大動(dòng)能的因素。知識(shí)回顧微觀帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓半徑和周期，與粒子運(yùn)動(dòng)的速度、磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度有什么關(guān)系呢？由：得：再由：1.質(zhì)譜儀：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。一、質(zhì)譜儀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3.原理經(jīng)加速電場(chǎng)獲得速度v：

在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中：原理圖EBPSB0A1A2加速電場(chǎng)速度選擇器由于粒子的荷質(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.質(zhì)譜儀的用途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在粒子物理學(xué)的研究中，經(jīng)常需要高能粒子做為“炮彈”去轟擊未知原子，以便“打開(kāi)”其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。那如何才能獲得需要的高能粒子呢？二、回旋加速器

世界上第一臺(tái)回旋加速器

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。二、回旋加速器

世界上第一臺(tái)回旋加速器

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。1.回旋加速器的構(gòu)造：兩個(gè)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(chǎng)中，如圖所示?；匦铀倨髟黼妶?chǎng)E：使粒子加速磁場(chǎng)B：使粒子偏轉(zhuǎn)，速率不變加速條件：粒子最大動(dòng)能：當(dāng)帶電粒子的速度最大時(shí)，其運(yùn)動(dòng)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(dòng)能。2.回旋加速器的原理可見(jiàn)，帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無(wú)關(guān)，只與磁感應(yīng)強(qiáng)度B

和D形盒半徑R

有關(guān)。粒子被加速次數(shù)的計(jì)算：粒子在回旋加速器中被加速的次數(shù)n＝(U是加速電壓的大小)，一個(gè)周期加速兩次。粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t1，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t2=

(n是粒子被加速次數(shù))，總時(shí)間為t＝t1＋t2，因?yàn)閠1?t2，一般認(rèn)為在盒內(nèi)的時(shí)間近似等于t2。1.現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來(lái)分析比質(zhì)子重很多倍的離子，其示意圖如圖所示，其中加速電壓恒定。質(zhì)子在入口處從靜止開(kāi)始被加速電場(chǎng)加速，經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后從出口離開(kāi)磁場(chǎng)。若某種一價(jià)正離子在入口處從靜止開(kāi)始被同一加速電場(chǎng)加速，為使它經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開(kāi)磁場(chǎng)，需將磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到原來(lái)的12倍。此離子和質(zhì)子的質(zhì)量比約為(

)A．11

B．12

C．121

D．144鞏固練習(xí)D

ABC

ABC3.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BD4.(多選)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源兩極相連接的兩個(gè)D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成周期性變化的電場(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。設(shè)D形盒半徑為R，若用回旋加速器加速質(zhì)子時(shí)，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，高頻交流電頻率為f，則下列說(shuō)法正確的是(

)A．質(zhì)子被加速后的最大速度不可能超過(guò)2πfRB．質(zhì)子被加速后的最大速度與加速電場(chǎng)的電壓大小無(wú)關(guān)C．只要R足夠大，質(zhì)子的速度可以被加速到任意值D．不改變B和f，該回旋加速器也能用于加速α粒子AB備用工具&資料3.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BD1.現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來(lái)分析比質(zhì)子重很多倍的離子，其示意圖如圖所示，其中加速電壓恒定。質(zhì)子在入口處從靜止開(kāi)始被加速電場(chǎng)加速，經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后從出口離開(kāi)磁場(chǎng)。若某種一價(jià)正離子在入口處從靜止開(kāi)始被同一加速電場(chǎng)加速，為使它經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開(kāi)磁場(chǎng)，需將磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到原來(lái)的12倍。此離子和質(zhì)子的質(zhì)量比約為(

)A．11

B．12

C．121

D．144鞏固練習(xí)D

知識(shí)回顧微觀帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓半徑和周期，與粒子運(yùn)動(dòng)的速度、磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度有什么關(guān)系呢？由：得：再由：3.原理經(jīng)加速電場(chǎng)獲得速度v：

在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中：原理圖EBPSB0A1A2加速電場(chǎng)速度選擇器由于粒子的荷質(zhì)比不同，則做圓周