第4節(jié)　質(zhì)譜儀與回旋加速器 教學(xué)課件

物理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[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1．了解質(zhì)譜儀的工作原理。2．了解回旋加速器的工作原理。01必備知識素養(yǎng)奠基02關(guān)鍵能力素養(yǎng)形成03分層演練素養(yǎng)達(dá)標(biāo)知識點(diǎn)1質(zhì)譜儀1．原理圖：如圖所示。qvB質(zhì)量[判一判]1．(1)質(zhì)譜儀只能區(qū)分電荷量不同的粒子。(

)(2)質(zhì)譜儀是測量帶電粒子質(zhì)量和分離同位素的儀器。(

)×√知識點(diǎn)2回旋加速器1．回旋加速器的結(jié)構(gòu)兩個中空的______________D1和D2，處于與盒面垂直的______________中，D1和D2間有一定的電勢差，如圖所示。半圓金屬盒勻強(qiáng)磁場洛倫茲力勻速圓周增大速度不變[判一判]2．(1)回旋加速器的半徑越大，帶電粒子獲得的最大動能就越大。(

)(2)利用回旋加速器加速帶電粒子，要提高加速帶電粒子的最終能量，應(yīng)盡可能增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B和D形盒的半徑R。(

)(3)帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動的半徑與帶電粒子進(jìn)入磁場時速度的大小有關(guān)，而周期與速度、半徑都無關(guān)。(

)√√√1．(質(zhì)譜儀)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)說法正確的是(

)√√3．(速度選擇器)(多選)如圖所示，在兩平行金屬板間有正交的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場，勻強(qiáng)磁場的方向垂直于紙面向里，勻強(qiáng)電場的方向豎直向下，有一正離子恰能以速率v沿直線從左向右水平飛越此區(qū)域，則(

)A．若電子以速率v從右向左飛入，電子也沿直線運(yùn)動B．若電子以速率v從右向左飛入，電子將向上偏轉(zhuǎn)C．若電子以速率v從右向左飛入，電子將向下偏轉(zhuǎn)D．若電子以速率v從左向右飛入，電子也沿直線運(yùn)動√√4．(磁流體發(fā)電機(jī))(多選)磁流體發(fā)電是一項新興技術(shù)。如圖所示，平行金屬板之間有一個很強(qiáng)的勻強(qiáng)磁場，將一束含有大量正、負(fù)帶電粒子的等離子體，沿圖中所示方向噴入磁場，圖中虛線框部分相當(dāng)于發(fā)電機(jī)，把兩個極板與用電器相連，則(

)

A．用電器中的電流方向為從A到BB．用電器中的電流方向為從B到AC．若只增強(qiáng)磁場，發(fā)電機(jī)的電動勢增大D．若只增大粒子速度，發(fā)電機(jī)的電動勢增大√√√探究一質(zhì)譜儀【問題導(dǎo)引】質(zhì)譜儀能否測量未知電荷量的粒子的質(zhì)量？提示：不能。3．分析判斷：根據(jù)帶電粒子在磁場中做圓周運(yùn)動的半徑大小，就可以判斷帶電粒子比荷的大小，如果測出半徑且已知電荷量，就可以求出帶電粒子的質(zhì)量?！纠?】質(zhì)譜儀原理示意圖如圖所示，電荷量為q、質(zhì)量為m的帶正電的粒子從靜止開始經(jīng)過電壓為U的加速電場后進(jìn)入粒子速度選擇器。選擇器中存在相互垂直的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場，勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度為E、方向水平向右。已知帶電粒子能夠沿直線穿過速度選擇器，從G點(diǎn)垂直于MN進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場，該偏轉(zhuǎn)磁場是一個以直線MN為邊界、方向垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場。帶電粒子經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁場后，最終到達(dá)照相底片的H點(diǎn)?？蓽y量出G、H間的距離為L，帶電粒子的重力可忽略不計。求：(1)粒子從加速電場射出時速度v的大小。(2)粒子速度選擇器中勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B1的大小和方向。(3)偏轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B2的大小。[針對訓(xùn)練1]現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來分析比質(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始被加速電場加速，經(jīng)勻強(qiáng)磁場偏轉(zhuǎn)后從出口離開磁場。若某種一價正離子在入口處從靜止開始被同一加速電場加速，為使它經(jīng)勻強(qiáng)磁場偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開磁場，需將磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到原來的12倍。此離子和質(zhì)子的質(zhì)量比約為(

)

A．11∶1

B．12∶1 C．121∶1 D．144∶1√探究二回旋加速器【問題導(dǎo)引】回旋加速器的構(gòu)造圖如圖所示。

回旋加速器中磁場和電場分別起什么作用？對交流電源的周期有什么要求？帶電粒子獲得的最大動能由哪些因素決定？【例2】有一回旋加速器，其勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，所加速的帶電粒子質(zhì)量為m，電荷量為q。(1)求回旋加速器所加高頻交流電壓的周期T′的表達(dá)式；(2)如果D形盒半圓周的最大半徑R＝0.6m，用它來加速質(zhì)子，能把質(zhì)子(質(zhì)量m＝1.67×10－27kg，電荷量q＝1.6×10－19C)從靜止加速到具有4.0×107eV的能量，求所需勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。[針對訓(xùn)練2]

(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極相連接的兩個D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的電場，使粒子在通過狹縫時都能得到加速，兩個D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場中，如圖所示，要增大帶電粒子射出時的動能，則下列說法正確的是(

)A．增大勻強(qiáng)電場間的加速電壓B．增大磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度C．增加周期性變化的電場的頻率D．增大D形金屬盒的半徑√√探究三疊加場內(nèi)的應(yīng)用實(shí)例【問題導(dǎo)引】1．速度選擇器有什么特點(diǎn)？2．磁流體發(fā)電機(jī)有什么優(yōu)點(diǎn)？提示：1.能把具有一定速度的粒子選擇出來。2．它可以把內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能。1．速度選擇器(1)平行板中電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B互相垂直。這種裝置能把具有一定速度的粒子選擇出來，所以叫作速度選擇器(如圖所示)?！獭纠?】電磁流量計廣泛應(yīng)用于測量可導(dǎo)電流體(如污水)在管中的流量(單位時間內(nèi)通過管內(nèi)某橫截面的流體的體積)。為了簡化，假設(shè)流量計是如圖所示的橫截面為長方形的一段管道，其中空的部分的長、寬、高分別為圖中的a、b、c。流量計的兩端與輸送流體的管道相連(圖中虛線)，圖中流量計的上、下兩面是金屬材料，前、后兩面是絕緣材料，現(xiàn)給流量計所在處加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，磁場方向垂直于前、后兩面，當(dāng)導(dǎo)電流體穩(wěn)定地流經(jīng)流量計時，在管外將流量計上、下兩面分別與一串聯(lián)了電阻R的電流表的兩端連接，I表示測得的電流值，已知流體的電阻率為ρ，不計電流表的內(nèi)阻，則可求得流量為(

)√[解析]

如圖甲所示，兩極板(上、下兩面)間距為c，磁場方向如圖中所示。當(dāng)外電路斷開時，運(yùn)動電荷受洛倫茲力作用而偏轉(zhuǎn)，兩極板帶電(兩極板作為電路供電部分)而使電荷受電場力，當(dāng)運(yùn)動電荷穩(wěn)定時，兩極板所帶電荷量最多，兩極板間的電壓最大，等于電源電動勢E。測量電路可等效成如圖乙所示。[針對訓(xùn)練3]

(2022·河北石家莊二中期末)關(guān)于下列四幅圖的說法正確的是(

)A．圖甲是回旋加速器的示意圖，要想帶電粒子獲得的最大動能增大，可增大加速電壓B．圖乙是磁流體發(fā)電機(jī)的示意圖，可以判斷出B極板是發(fā)電機(jī)的負(fù)極，A極板是發(fā)電機(jī)的正極C．圖丙是速度