高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器一等奖课件ppt

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【问题引入】

在科学研究和工业生产中，以便知道其中所含物质的成分，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，那么如何将电荷量相同、质量不同的带电粒子分开呢？

以问题开始引发学生思考，有助于应用所学解决实际问题

讲授新课

【新知梳理】

一、质谱仪

1、构造： 由粒子源容器、加速电场、偏转磁场和底片组成

（1）粒子源容器（离子发生器）：发射出电量q、质量m的粒子，粒子从A中小孔S飘出时速度大小不计；

（2）加速电场：使带电粒子获得速度

（3）粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场

（4）偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离

（5）照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径

2、工作原理:

（1）加速电场加速: 根据动能定理   qU=mv2

（2）经速度选择器时速度为?0 ， 

（3）匀强磁场偏转: 洛伦兹力提供向心力

=

带电粒子 不同，做圆周运动的半径就不同，因此打在底片不同位置。

3、用途:

（1）由qU=mv2和qvB=m可求得  r=

可知，质谱仪可用于区分同位素和发现新元素

（2）质谱仪可以测粒子的质量和比荷

二、回旋加速器

1932年美国物理学家劳伦斯发明的回旋加速器，是磁场和电场对运动电荷的作用规律在科学技术中的应用典例，也是高中物理教材中的一个难点，其中有几个问题值得我们进一步探讨。

回旋加速器是用来加速带电粒子使之获得高能量的装置。

1、构造: D1、D2是半圆形金属盒，D形盒的缝隙处接交流电源，D形盒处于匀强磁场中

在窄缝中心附近放有粒子源O。D形盒装在真空容器中，整个装置放在巨大的电磁铁的两极之间，匀强磁场方向垂直于D形盒的底面。把两个D形盒分别接到高频电源的两极上。

2、工作原理:

粒子经电场加速，经磁场回旋，由=，得

所以粒子获得的最大动能由磁感应强度B和D形盒半径R决定，与加速电压无关

3、运动时间:

交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等，粒子在磁场中运动一个周期，被电场加速两次，每次增加动能qU，加速次数

粒子在磁场中运动的总时间

【思考】能否无限制地回旋加速？

由于相对论效应，当带电粒子速率接近光速时，带电粒子的质量将显著增加，从而带电粒子做圆周运动的周期将随带电粒子质量的增加而加长。如果加在D形盒两极的交变电场的周期不变的话，带电粒子由于每次“迟到”一点，就不能保证粒子每次经过窄缝时总被加速。因此，同步条件被破坏，也就不能再提高带电粒子的速率了。

三、带电粒子在组合场中运动的其他应用实例

速度选择器

若：

即

只有满足条件的粒子才能做匀速直线运动通过

磁流体发电机

等离子体射入，受洛伦兹力偏转，使两极板带正、负电，两极电压为U时稳定：

两极板电压   

电磁流量计

由，得

所以流量   

霍尔元件

当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差

由，得   

【应用示例】

例1：如图所示为质谱仪的原理图。利用这种质谱仪可以对氢元素进行测量。氢元素的各种同位素,从容器A下方的小孔S1进入加速电压为U的加速电场,可以认为从容器出来的粒子初速度为零。粒子被加速后从小孔S2进入磁感应强度为B的匀强磁场,最后打在照相底片D上,形成a、b、c三条质谱线。关于氢的三种同位素进入磁场时速率的排列顺序和三条谱线的排列顺序,下列说法中正确的是(　A　)

A.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氕、氘、氚

B.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氚、氘、氕

C.a、b、c三条谱线的排列顺序是氕、氘、氚

D.a、b、c三条谱线的排列顺序是氘、氚、氕

例2：(多选)如图是质谱仪的工作原理示意图,带电粒子被加速电场加速后,进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场的磁感应强度和匀强电场的电场强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2。平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是(　   ABC   　)

A.质谱仪是分析同位素的重要工具

B.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外

C.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于

D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子

的比荷越小

例3: (多选)一个用于加速质子的回旋加速器,其核心部分如图所示,D形盒半径为R,垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B,两盒分别与交流电源相连。设质子的质量为m、电荷量为q,则下列说法正确的是(　AB　)

A.D形盒之间交变电场的周期为

B.质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大

C.质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大

D.只要R足够大,质子的速度可以被加速到任意值

例4: (多选)回旋加速器是加速带电粒子的装置,其核心部分是分别与高频交流电极相连接的两个D形金属盒,两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场,使粒子在通过狭缝时都能得到加速,两D形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中,如图所示,要增大带电粒子射出时的动能,下列说法正确的是(　AD　)

A.增大匀强电场间的加速电压

B.增大磁场的磁感应强度

C.减小狭缝间的距离

D.增大D形金属盒的半径

例5：如图所示，一速度选择器内有一磁感应强度为B、方向垂直纸面向外的匀强磁场，一束粒子流以速度v水平射入，为使粒子流经过磁场时不偏转(不计重力)，则磁场区域内必须同时存在一个匀强电场，关于此电场场强大小和方向的说法正确的是(　D　)

A．大小为，粒子带正电时，方向向上

B．大小为，粒子带负电时，方向向上

C．大小为，方向向下，与粒子带何种电荷无关

D．大小为，方向向上，与粒子带何种电荷无关

例6: 笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件。当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作；当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭，电脑进入休眠状态。如图所示，一块宽为a、厚为b、长为c的矩形半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为e的自由电子，通入方向向右的电流I时，电子的定向移动速度为v，当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向向下的匀强磁场B中，于是元件的前、后表面间出现电压U，以此控制屏幕的熄灭。则元件的(　C　)

A．前表面的电势比后表面的低

B．前、后表面间的电压

C．前、后表面间的电压U与I成正比

D．自由电子受到的洛伦兹力大小为

分析理解质谱仪得构造，工作原理

理解每部分的作用

学习过原理后明白了可以应用到什么情境

记录并理解回旋加速器构造和工作原理

理解加速原理

学生思考能否无限加速

了解其他应用实例

理解带电粒子在各场中得运动规律

了解回旋加速器的发展历程，发现回旋加速器的技术难题

知道粒子获得最大动能的相关因素

以问题的方式帮助学生更好的理解回旋加速器的原理

课堂小结

板书设计

§1.4质谱仪与回旋加速器

一、质谱仪                       二、回旋加速器

1、构造                             1、构造

2、工作原理:                         2、工作原理:

                                    粒子经电场加速，经磁场回旋，由=，得

3、用途:                              3、运动时间

课后作业

做一做《1.4质谱仪与回旋加速器》同步练习题

课后反思

教学建议：重点在质谱仪和回旋加速器，其他应用实例作为拓展，帮助学生理解带电粒子在匀强磁场中运动的规律分析。