人教版 (2019)第一章 安培力与洛伦兹力4 质谱仪与回旋加速器试讲课ppt课件

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1.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。2.经历质谱仪工作原理的推导过程，体会逻辑推理的思维方法。了解回旋加速器面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。
1、带电粒子的磁场中匀速圆周运动的产生条件：
粒子垂直进入匀强磁场
粒子只受洛伦兹力
2、规律：
洛伦兹力充当向心力
3、重要结论：
在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？
质谱仪是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。
2. 质谱仪的构造
质谱仪主要由以下几部分组成： ① 带电粒子注入器 ② 加速电场 ( U ) ③ 速度选择器 ( B1、E ) ④ 偏转磁场 ( B2) ⑤ 照相底片
3. 质谱仪的工作原理
（4）在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r
（5）联立以上各式可得粒子的比荷和质量分别为
（6）由粒子质量公式可知，如果带电粒子的电荷量相同，质量有微小差别，就会打在照相底片上的不同位置，出现一系列的谱线，不同质量对应着不同的谱线，叫作质谱线。
解析：带电粒子在加速电场中运动时，有qU= ，在磁场中偏转时，其半径r= ，由以上两式整理得r= 。由于质子与一价正离子的电荷量相同， B1∶B2 =1∶12，当半径相等时，解得 =144。
例 现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为（　　）A. 11 B. 12 C. 121 D. 144
在图 1.4-2 所示的多级加速器中，各加速区的两板之间用独立电源供电，所以粒子从 P2 飞向 P3、从 P4 飞向P5……时不会减速。由于粒子在加速过程中的径迹为直线，要得到较高动能的粒子，其加速装置要很长。
要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进行“观察”。然而，原子核被强大的核力约束，只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才能把它“打开”。产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器
1. 回旋加速器的发明
1932 年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内对带电粒子进行多级加速。
2. 回旋加速器的工作原理
利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件 —— 两个 D 形盒和其间的窄缝内完成。
（1）磁场的作用带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期与速率、半径均无关（ ），带电粒子每次进入 D 形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场中加速。（2）电场的作用回旋加速器两个 D 形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两 D 形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速。
（3）交变电场的作用及变化周期为保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，需在窄缝两侧加上跟带电粒子在 D 形盒中运动周期相同（ ）的交变电压。（4）带电粒子的轨迹特点粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期不变。（5）因为两个D形盒之间的窄缝很小，所以带电粒子在电场中的加速时间可以忽略不计。
2. 回旋加速器的工作原理
3. 带电粒子的最终能量
当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由
若 D 形盒半径为R，
则带电粒子的最终动能
可见，带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关，只与磁感应强度 B 和 D 形盒半径 R 有关。
例 回旋加速器的工作原理如图甲所示，置于真空中的D形金属盒半径为R。两盒间狭缝的间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直。被加速粒子的质量为m、电荷量为+q，加在狭缝间的交变电压如图乙所示，电压值的大小为U0，周期T= 。一束该种粒子在t=0~ 时间内从A处均匀地飘入狭缝，其初速度视为零。现考虑粒子在狭缝中的运动时间，假设能够出射的粒子每次经过狭缝均做加速运动，不考虑粒子间的相互作用。求：
（1）出射粒子的动能Em；（2）粒子从飘入狭缝至动能达到Em所需的总时间t0； （3）要使飘入狭缝的粒子中有超过99%能射出，d应满足的条件。
解：（1）粒子运动半径为R时qvB=m ，且Em= ，解得Em= （2）粒子被加速n次达到动能Em，则Em=nqU0粒子在狭缝间做匀加速运动，设n次经过狭缝的总时间为Δt加速度a= 匀加速直线运动nd= a·Δt2由t0=（n-1） +Δt，解得t0= - （3）只有在0~ 时间内飘入的粒子才能每次均被加速则所占的比例为η= ，由η>99%，解得d< 。
1.如图为质谱仪测定带电粒子质量的装置示意图。速度选择器中场强E方向向下，磁感应强度B1的方向垂直纸面向里，右侧分离器中磁感应强度B2的方向垂直纸面向外。在S处有甲、乙、丙、丁四个一价正离子垂直于E和B1入射。若，不计重力，则 打在四点的离子分别是（　　）A. 甲乙丙丁　　　B. 甲丁乙丙　　　C. 丙丁乙甲　　　D. 甲乙丁丙  
2.［多选］如图甲所示是回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t变化的规律如图乙所示，若忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断中正确的是（ ）　　　　A.在Ek-t图像中应有t4-t3=t3-t2=t2-t1B.高频电源的变化周期应该等于tn-tn-1C.粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大D.要想使粒子获得的最大动能变大，则可将D形盒的面积变大