1、问 题 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？一、质谱仪一、质谱仪 1. 定义：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。一、质谱仪 1. 定义：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。 2. 组成：由粒子源容器、加速电场、偏转磁场和底片组成，运动过程如图所示。3. 工作原理：(1) 在加速电场中，带电粒子获得速度，即3. 工作原理：(1) 在加速电场中，带电粒子获得速度，即(2) 在速度选择器中，只有满足qv
2、B1 = qE，即 粒子才能通过速度选择器。3. 工作原理：(1) 在加速电场中，带电粒子获得速度，即(2) 在速度选择器中，只有满足qvB1 = qE，即 粒子才能通过速度选择器。(3) 在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为： 3. 工作原理：(1) 在加速电场中，带电粒子获得速度，即(2) 在速度选择器中，只有满足qvB1 = qE，即 粒子才能通过速度选择器。(3) 在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为： (4) 在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r3. 工作原理：(1) 在加速电场中，带电粒子获得速度，即(2) 在速度选择器中，只有满足qvB1
3、 = qE，即 粒子才能通过速度选择器。(3) 在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为： (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3. 工作原理：(1) 在加速电场中，带电粒子获得速度，即(2) 在速度选择器中，只有满足qvB1 = qE，即 粒子才能通过速度选择器。(3) 在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为： (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4. 测量：不同质量的带电粒子打出不同谱线, 每一条谱线对应一定的质量（或比荷）.3. 工
4、作原理：例1.如图4，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U加速后在纸面内水平向右运动，自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直.已知甲种离子射入磁场的速度大小为v1，并在磁场边界的N点射出；乙种离子在MN的中点射出；MN长为l.不计重力影响和离子间的相互作用.求：(1)磁场的磁感应强度大小；图4例1.如图4，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U加速后在纸面内水平向右运动，自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直.已知甲种离子射入磁场的速度大小为v1，并在磁场边界的N点射出；乙种离子在MN的中点射出；MN长为
5、l.不计重力影响和离子间的相互作用.求：(1)磁场的磁感应强度大小；图4解析设甲种离子所带电荷量为q1，质量为m1，在磁场中做匀速圆周运动的半径为R1，磁场的磁感应强度大小为B，由几何关系知2R1l (2)甲、乙两种离子的比荷之比.(2)甲、乙两种离子的比荷之比.答案14解析设乙种离子所带电荷量为q2，质量为m2，射入磁场的速度为v2，在磁场中做匀速圆周运动的半径为R2.1. 直线加速器二、加速器1. 直线加速器(1)加速原理： 利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加二、加速器1. 直线加速器(2)直线加速器，多级加速 如图所示是多级加速装置的原理图：(1)加速原理： 利用加速电场对
6、带电粒子做正功使带电粒子的动能增加二、加速器2. 回旋加速器21-12-08回旋加速器.swf例题2 回旋加速器中磁场的磁感应强度为B，D形盒的半径为R，用该回旋加速器加速质量为m、电量为q的粒子，设粒子加速前的初速度为零。求：（1）粒子的回转周期是多大？ （2）高频电极的频率为多大？（3）粒子的最大动能是多大？例题2 回旋加速器中磁场的磁感应强度为B，D形盒的半径为R，用该回旋加速器加速质量为m、电量为q的粒子，设粒子加速前的初速度为零。求：（1）粒子的回转周期是多大？ （2）高频电极的频率为多大？（3）粒子的最大动能是多大？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r=
7、mv/qB得v= rqB/m，若D形盒的半径为R，则带电粒子的最终动能：所以，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R。 为什么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？思考与讨论： 为什么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？思考与讨论：回旋加速器利用两D形盒窄缝间的电场使带电粒子加速，利用D形盒内的磁场使带电粒子偏转，带电粒子所能获得的最终能量与B和R有关，与U无关.小结思考与讨论：如果尽量增强回旋加速器的磁场或加大D形盒半径，我们是不是就可以使带电粒子获得任意高的能量吗？ 思考与讨论：如果尽量增强回旋加速器的磁场或加大D形盒半径，我们是不
8、是就可以使带电粒子获得任意高的能量吗？ 不能【拓展】 设在回旋加速器D形盒中加的匀强磁场的磁感应强度为B，D形盒最大半径为R, 用来加速质量为m、带电荷量为q的离子, 每次加速时的电压为U，保持不变, 现将离子加速到最大动能, 从D形盒边缘引出, 求离子从静止开始加速到引出的全过程的运动总时间(忽略加速过程的时间).【拓展】 设在回旋加速器D形盒中加的匀强磁场的磁感应强度为B，D形盒最大半径为R, 用来加速质量为m、带电荷量为q的离子, 每次加速时的电压为U，保持不变, 现将离子加速到最大动能, 从D形盒边缘引出, 求离子从静止开始加速到引出的全过程的运动总时间(忽略加速过程的时间).【拓展】
9、 设在回旋加速器D形盒中加的匀强磁场的磁感应强度为B，D形盒最大半径为R, 用来加速质量为m、带电荷量为q的离子, 每次加速时的电压为U，保持不变, 现将离子加速到最大动能, 从D形盒边缘引出, 求离子从静止开始加速到引出的全过程的运动总时间(忽略加速过程的时间).【拓展】若加速过程的时间不能忽略又如何？【拓展】 设在回旋加速器D形盒中加的匀强磁场的磁感应强度为B，D形盒最大半径为R, 用来加速质量为m、带电荷量为q的离子, 每次加速时的电压为U，保持不变, 现将离子加速到最大动能, 从D形盒边缘引出, 求离子从静止开始加速到引出的全过程的运动总时间(忽略加速过程的时间).【拓展】若加速过程的时间不能忽略又如何？知识深化1. 粒子被加速的条件 交流电压的周期等于粒子在磁场中运动的周期.2. 粒子最终的能量
