物理选择性必修 第二册第一章 安培力与洛伦兹力4 质谱仪与回旋加速器教学ppt课件

这是一份物理选择性必修 第二册第一章 安培力与洛伦兹力4 质谱仪与回旋加速器教学ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了目标体系构建，课前预习反馈，qvB，构造图，周期性变化，匀速圆周，课内互动探究，探究，质谱仪，探究等内容，欢迎下载使用。

4．质谱仪与回旋加速器
 1．了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。2．能解决质谱仪和回旋加速器的基本问题。3．进一步认识电场和磁场对带电粒子作用的特征，增强运动与相互作用观念。
 1．物理观念：了解质谱仪与回旋加速器的工作原理。2．科学思维：会用带电粒子在电场中的加速和在匀强磁场中的匀速圆周运动分析质谱仪和回旋加速器的工作原理。3．科学态度与责任：通过了解质谱仪和回旋加速器的原理，知道带电粒子在匀强磁场中知识在现代科学技术中是有广泛应用的，激发学生学习和研究物理的好奇心与求知欲，在紧密联系实际中培养学生的创新能力。
1．质谱仪的组成由粒子源容器、_________电场、_________磁场和底片组成。2．工作原理
『判一判』(1)质谱仪是由汤姆孙设计的。(　 　)(2)利用质谱仪可以测定带电粒子的质量和分析同位素。(　 　)
『选一选』(2023·浙江省高二期中)如图所示，有一混合正离子束先后通过正交电场磁场区域Ⅰ和匀强磁场区域Ⅱ，如果这束正离子束在区域Ⅰ中不偏转，进入区域Ⅱ后偏转半径又相同，则说明这些正离子具有相同的(　 　)A．质量　B．动能C．比荷　D．电荷
2．工作原理(1)电场的特点及作用特点：两个D形盒之间的窄缝区域存在__________________的电场。作用：带电粒子经过该区域时被_________。(2)磁场的特点及作用特点：D形盒处于与盒面垂直的_________磁场中。作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做_______________运动，从而改变运动方向，_________ 周期后再次进入电场。
『判一判』(3)回旋加速器的加速电压越高，带电粒子获得的最终动能越大。(　 　)(4)当交变电压的周期等于带电粒子在磁场中运动的周期时，回旋加速器中的粒子才能被加速。(　 　)(5)回旋加速器能把粒子加速到光速。(　 　)(6)在回旋加速器中，粒子从电场中获得能量。(　 　)(7)回旋加速器的加速电压越小，加速次数越多。(　 　)
『想一想』如图是一台粒子回旋加速器，它的直径长达2 km，请思考：回旋加速器直径为什么要这样大？
要|点|提|炼质谱仪的有关规律1．用途：测量带电粒子质量和分析同位素。2．原理图
典|例|剖|析 (2023·浙江杭州市高二期中)质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1，b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d，c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为e的正粒子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动。求：
(1)粒子的速度v为多少；(2)速度选择器的电压U2为多少；(3)粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大。
(多选)如图所示为一种质谱仪的示意图，由加速电场、静电分析器和磁分析器组成。若静电分析器通道中心线的半径为R，通道内均匀辐射电场，在中心线处的电场强度大小为E，磁分析器有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向外。一质量为m、电荷量为q的粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器，由P点垂直边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q点。不计粒子重力。下列说法正确的是(　 　)
情|境|导|入右图是回旋加速器的原理图，已知D形盒的半径为R，匀强磁场的磁感应强度为B，交变电流的周期为T，若用该回旋加速器来加速质子，设质子的质量为m，电荷量为q，请思考：(1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？质子每次经过狭缝时，动能的增加量是多少？(2)对交流电源的周期有什么要求？(3)带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？
提示：(1)磁场的作用是使带电粒子回旋，电场的作用是使带电粒子加速。动能的增加量为qU。(2)交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期。(3)粒子的最大动能决定于磁感应强度B和D形盒的半径R。
2．电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的狭缝区域存在周期性变化的且垂直于两个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。根据动能定理：qU＝ΔEk。3．交变电压的作用：为保证粒子每次经过狭缝时都被加速，使之能量不断提高，需在狭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。
典|例|剖|析 回旋加速器D形盒中央为质子流，D形盒的交变电压为U，静止质子经电压U加速后，进入D形盒，其最大轨道半径为R，磁场的磁感应强度为B，质子质量为m，电荷量为e。求：(1)质子最初进入D形盒的动能为多大？(2)质子经回旋加速器最后得到的动能为多大？(3)交流电源的频率是多少？
(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，下列说法中正确的是(　 　)A．减小狭缝间的距离B．增大匀强电场间的加速电压C．增大磁场的磁感应强度D．增大D形金属盒的半径
2．回旋加速器问题的两个误区(1)误认为交变电压的周期随粒子轨迹半径的变化而变化。实际上交变电压的周期是不变的。(2)误认为粒子的最终能量与加速电压的大小有关。实际上，粒子的最终能量由磁感应强度B和D形盒的半径R决定，与加速电压的大小无关。
如图甲所示是用来加速带电粒子的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，两盒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的变化规律如图乙所示。忽略带电粒子在电场中的加速时间，不计重力，则下列判断中正确的是(　 　)
A．在Ek－t图像中应有t4－t3一、质谱仪1．(2023·山西太原高二期中)如图的质谱仪中，加速电场的电压恒定。一质子(质量为m、电荷量为＋e)在入口处从静止开始被电场加速，经磁感应强度大小为B0的匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若氦核(质量为4m、电荷量为＋2e)在入口处由静止开始被电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从出口离开磁场，需将磁感应强度增加到(　 　)
2．质谱仪可用来分析同位素，也可以用来分析比质子重很多倍的离子。现在用质谱仪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P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P点离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的11倍。此离子和质子的质量之比为(　 　)A．1　　B．12C．144　　D．121
3．(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和匀强电场的强度分别为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(　 　)
A．加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能较大B．加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能较大C．加速氘核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能较小D．加速氘核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能较小
5. (多选)1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示。这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，所加交变电压极性变化时，电压值不变。下列说法正确的是(　 　)
A．所加交变电压的周期等于带电粒子圆周运动周期的一半B．利用回旋加速器加速带电粒子，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径RC．回旋加速器的加速电压越大，带电粒子获得的最大动能越大D．粒子每次经过D形盒狭缝时，电场力对粒子做功一样多