1、人教版高中物理选修二1.4 1.4 质谱仪与回旋加速器质谱仪与回旋加速器人教版高中物理选修二人教版高中物理选修二人教版高中物理选修二目录新知导入第 一 部 分新知探究第 二 部 分新知应用第 三 部 分新知巩固第 四 部 分课堂小结第 五 部 分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、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？质量不同的带电粒子吗？新知导入新知导入猜想一猜想一：
2、先用加速电场加速先用加速电场加速比荷不同比荷不同的带电粒子，再用的带电粒子，再用匀强电场匀强电场使带电粒子偏使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示：转，从而把它们分开。原理图如图所示：U0LyU dm,q（1 1）先加速）先加速（2 2）再偏转（类平抛运动）再偏转（类平抛运动）由：由：2012qUmv得：得：02qUvm纵向：纵向：xv t212qUytmd横向：横向：得：得：204UyxdU 由粒子的轨迹方程可知，粒子的轨迹与粒子的性质无关，无法分开比荷不由粒子的轨迹方程可知，粒子的轨迹与粒子的性质无关，无法分开比荷不同的粒子。同的粒子。新知导入新知导入猜想二猜想二：先用加速电场加速
3、先用加速电场加速比荷不同比荷不同的带电粒子，再用的带电粒子，再用匀强磁场匀强磁场使带电粒子偏转，使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示：从而把它们分开。原理图如图所示：（1 1）先加速）先加速（2 2）再偏转）再偏转(匀速圆周运动）匀速圆周运动）由：由：得：得：得：得：由粒子的轨道半径表达式可知，比荷不同的带电粒子的半径不同，这种由粒子的轨道半径表达式可知，比荷不同的带电粒子的半径不同，这种方法可以分开比荷不同的粒子。方法可以分开比荷不同的粒子。2012qUmv02qUvmU0Bm,q2vqvBmrmvrqB012mUrBq新知导入新知导入1 1、质谱仪：、质谱仪：利用磁场对带电粒子的
4、偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量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。的仪器。2 2、结构及作用、结构及作用 ：电离室：使中性气体电离，产生带电粒子电离室：使中性气体电离，产生带电粒子加速电场：使带电粒子获得速度加速电场：使带电粒子获得速度粒子速度选择器：使具有相同速度的粒子进粒子速度选择器：使具有相同速度的粒子进入偏转磁场入偏转磁场偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径电离室电离室加速电加速电场场偏转磁场偏转磁场照相底片照相底片速度选择器速度选择器新
5、知探究新知探究1、质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具2、基本原理：将质量不等、电荷数相等的带电粒子经同一电场加速再垂直进入同一匀强磁场，由于粒子动量不同，引起轨迹半径不同而分开，进而分析某元素中所含同位素的种类。3、推导：12mvRdqB偏转：1122mURdBq粒子初速度为零粒子初速度为零粒子经电场加速粒子经电场加速4 4、作用：、作用：可测粒子的可测粒子的质量质量及及比荷；比荷；与已知粒子半径对比可发现与已知粒子半径对比可发现未知的元素未知的元素和和同位素。同位素。新知探究新知探究【例例1】一个质量为一个质量为 1.6710-27 kg、电荷量为、电荷量为 1.610-19 C
6、 的带电粒子，以的带电粒子，以 510 5 m/s 的初速度沿的初速度沿与磁场垂直的方向射入磁感应强度为与磁场垂直的方向射入磁感应强度为 0.2 T 的匀强磁场。求：的匀强磁场。求：（1）粒子所受的重力和洛伦兹力的大小之比；）粒子所受的重力和洛伦兹力的大小之比；（2）粒子在磁场中运动的轨道半径；）粒子在磁场中运动的轨道半径；（3）粒子做匀速圆周运动的周期。）粒子做匀速圆周运动的周期。解：（1）粒子所受的重力G mg 1.6710-27 9.8 N 1.6410-26 N所受的洛伦兹力F qvB 1.610-19 510 5 0.2 N 1.610-14 N重力与洛伦兹力之比GF1.6410-2
7、6 1.610-141.0310-12可见，带电粒子在磁场中运动时，洛伦兹力远大于重力，重力作用的影响可以忽略。新知应用新知应用（2）带电粒子所受的洛伦兹力为F qvB洛伦兹力提供向心力，故qvBmv 2r由此得到粒子在磁场中运动的轨道半径rmvqB1.6710-27 510 51.610-19 0.2m2.6110-2 m（3）粒子做匀速圆周运动的周期T2rv2m qB 23.141.6710-271.610-19 0.2 s3.2810-7 s新知应用新知应用ADAD【例例】新知应用新知应用C C.新知巩固新知巩固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，qU=Ek2
8、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：直线加速器，多级加速如图所示是多级加速装置的原理图：(一)、直线加速器 由动能定理得带电粒子经n极的电场加速后增加的动能为：3直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制新知探究新知探究11932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进行多级加速2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。新知探究新知探究新知探究新知探究接高频电源狭缝原理图原理图粒子源新知探究新知探究3 3、工作原理：、工作
9、原理：带电粒子带电粒子在在D D形盒形盒中运行的周期：中运行的周期：（1 1）加速条件）加速条件qB2T回旋每过每过 电场方向要改变一次，以电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。保证带电粒子始终被加速。BqmTt2电场的变化周期要等于电场的变化周期要等于粒子粒子的运动周期：的运动周期：qBmTT2回旋回旋电场电场新知探究新知探究1.在磁场中做圆周运动,周期不变2.每一个周期加速两次3.电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同4.电场一个周期中方向变化两次5.粒子加速的最大速度由盒的半径决定6.电场加速过程中,时间极短,可忽略新知探究新知探究思考题：正误判断（正确的打“”，错误的打“”
10、）（1）带电粒子在磁场中运动的偏转角等于运动轨迹圆弧所对应的圆心角的2倍。（）（2）带电粒子在磁场中偏转时，速度的方向改变而速度的大小不变。（）（3）速度选择器既可以选择粒子的速度，也可以选择粒子的电性。（）（4）应用质谱仪可以测定带电粒子的比荷。（）（5）回旋加速器两狭缝可以接直流电源。（）新知应用新知应用3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的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确的是（）A增大匀强电场间的加速电压B减
11、小磁场的磁感应强度C减小周期性变化的电场的频率D增大D形金属盒的半径D D【例例】新知应用新知应用5如图所示，回旋加速器D形盒的半径为R，用来加速质量为m，电量为q的质子，质子每次经过电场区时，都恰好在电压为U时被加速，且电场可视为匀强电场，使质子由静止加速到能量为E后，由A孔射出。下列说法正确的是（）AD形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，质子的能量E将越大B磁感应强度B不变，若加速电压U不变，D形盒半径R越大，质子的能量E将越大CD形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，质子在加速器中的运动时间将越长DD形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，质子在加速器中的运
12、动时间将越短BDBD.新新知巩固知巩固1931年，加利福尼亚大学的劳伦斯斯提出了一个卓越的思想，通过磁场的作用迫使带电粒子沿着磁极之间做螺旋线运动,把长长的电极像卷尺那样卷起来，发明了回旋加速器，第一台直径为27cm的回旋加速器投入运行，它能将质子加速到1Mev。1939年劳伦斯获诺贝尔物理奖。新知应用新知应用新知应用新知应用回旋加速器与人们的生活 新知应用新知应用(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，并在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期和速率、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：回旋加速器的
13、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)交变电压：为了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，须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新知应用新知应用带电粒子的最终能量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，由当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由r r=mvmv/qBqB得得v v=rqBrqB/m m，若，若D D形盒的半径为形盒的半径为R R，则带电粒子的最终动能：，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
14、新知应用新知应用 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？新知应用新知应用qBmT 2粒子速度粒子速度v接近光速接近光速c时时，质量变大，在磁场中，质量变大，在磁场中运动周期改变，与交变电场周期不同步。运动周期改变，与交变电场周期不同步。改进：改进：新知应用新知应用 一一.质谱仪质谱仪 二二.回旋加速器回旋加速器12mUrBq228qUmB D 1 1、条件：、条件：2 mTTqB电磁 2 2、粒子能量：、粒子能量：2222122kq B rEmvmd)RUBRt20（3 3、运动时间：、运动时间：课堂小结课堂小结电偏转和磁偏转的对比电偏转和
15、磁偏转的对比匀强电场中偏转匀强电场中偏转匀强磁场中偏转匀强磁场中偏转偏转条件偏转条件受力情况受力情况运动类型运动类型运动轨迹运动轨迹垂直电场线进入匀强电垂直电场线进入匀强电场场(不计重力不计重力)垂直磁感线进入匀强磁垂直磁感线进入匀强磁场场(不计重力不计重力)电场力电场力FEq大小、方向都不变大小、方向都不变洛伦兹力洛伦兹力F洛洛qvB的大小不变，的大小不变，方向随方向随v的方向的改变而改变的方向的改变而改变类平抛运动类平抛运动匀速圆周运动或其一部分匀速圆周运动或其一部分抛物线抛物线圆或圆的一部分圆或圆的一部分课堂小结课堂小结运动轨迹图运动轨迹图求解、求解、处理处理方法方法动能变化动能变化电偏转和磁偏转的对比电偏转和磁偏转的对比偏移偏移y和偏转角和偏转角要通过要通过类平抛运动的规律求解类平抛运动的规律求解偏转偏转y和偏转角和偏转角要结合圆的几要结合圆的几何关系通过对圆周运动的讨论何关系通过对圆周运动的讨论求解求解动能增大动能增大动能不变动能不变课堂小结课堂小结人教版高中物理选修二课程结束课程结束人教版高中物理选修二
