质谱仪测定带电粒子的质量仪器-密立根油滴仪课件.ppt

1、2022-6-231 第五讲第五讲 质量质量大学物理专题讲座大学物理专题讲座主讲人主讲人 冯杰冯杰2022-6-232 第五讲第五讲 质量质量一、质量的定义方法和测量方法一、质量的定义方法和测量方法( (见第三讲见第三讲) ) 二、质量的物理意义二、质量的物理意义1、物体含物质的多少、物体含物质的多少牛顿最初的定义：牛顿最初的定义：“物质的量是用它的密度和体积物质的量是用它的密度和体积 一起来量度的一起来量度的”。初中教科书：初中教科书：物体中含有物质的多少物体中含有物质的多少。“质量不质量不随物体的形状、状态、温度和位置的改变而改变随物体的形状、状态、温度和位置的改变而改变（这一说法并不准确

2、），是物体的固有属性这一说法并不准确），是物体的固有属性”。2、质量表示物体的惯性、质量表示物体的惯性质量是描述物质固有属性的物理量质量是描述物质固有属性的物理量高中教科书；高中教科书；物体具有保持原有运动状态的属性物体具有保持原有运动状态的属性惯性；惯性；是物体运动状态变化时所显示的阻抗能力（惯性）是物体运动状态变化时所显示的阻抗能力（惯性） 牛顿第二定律牛顿第二定律。dtvdmdtdmvdtvdmdtvmdF)(牛顿最初对力的定义：牛顿最初对力的定义：当时无法解释当时无法解释 ；认定认定m 是平动惯性大小的量度是平动惯性大小的量度。 dtdmv2022-6-2333、质量表示物体之间引力大

3、小的量度、质量表示物体之间引力大小的量度物体具有产生引力作用和感受引力作用的属性物体具有产生引力作用和感受引力作用的属性 牛顿牛顿1717世纪的发现世纪的发现221rmmGF 和和 就是物体产生并感受引力的量度；就是物体产生并感受引力的量度； 牛顿没有引力场的思想牛顿没有引力场的思想 超距观点超距观点。4、惯性质量与引力质量之间的关系、惯性质量与引力质量之间的关系1m2m惯性质量惯性质量设地球表面某处一物体，如果忽略地球的设地球表面某处一物体，如果忽略地球的自转效应，它们之间的万有引力作用为自转效应，它们之间的万有引力作用为211RMmGF地引力质量引力质量设此物体，在设此物体，在 的作用下产

4、生的作用下产生的加速度为：的加速度为： ，则，则1F1a式中式中 即为该物体的引力质量即为该物体的引力质量。1m111amF式中式中 即为该物体的惯性质量即为该物体的惯性质量。1m引力质量与惯性质量的关系引力质量与惯性质量的关系设同样条件下有另一物体，类似可得设同样条件下有另一物体，类似可得222RMmGF地222amF2022-6-234111amF211RMmGF地2111RGMmma222amF222RMmGF地2222RGMmma实验事实：在地球表面同一地点的重力加速度都是相等的，实验事实：在地球表面同一地点的重力加速度都是相等的，gaaaN21因此有：因此有：NNmmmmmm2211

5、5、等效原理、等效原理爱因斯坦的理想实验：爱因斯坦的理想实验：运动电梯运动电梯；加速场效应可以抵消引力场效应；加速场效应可以抵消引力场效应； 广义相对论的实验基础广义相对论的实验基础惯性质量惯性质量加速度（加速场强度）引力质量加速度（加速场强度）引力质量引力场强度引力场强度2RGMg即：即：2022-6-2356、物体质量随其速度的变化、物体质量随其速度的变化等效原理的等效原理的动力学机制动力学机制目前仍然目前仍然不清楚不清楚，定性的解释为：，定性的解释为： 惯性质量和引力质量可能是物质同一属性在不同场合下的表现惯性质量和引力质量可能是物质同一属性在不同场合下的表现。惯引mm 实验测量实验测量

6、 的精度，目前为的精度，目前为 量级量级。12102201cvmm牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观牛顿的超距观点牛顿的超距观点质量与物体的运动状态无关质量与物体的运动状态无关 低速下与实验相符低速下与实验相符。相对论时空观相对论时空观7、质能守恒是近代物理学的基石之一、质能守恒是近代物理学的基石之一相对论力学之前相对论力学之前人们一直认为：人们一直认为：质量守恒与能量守恒是质量守恒与能量守恒是 两条彼此独立两条彼此独立 的定律的定律相对论力学中相对论力学中)211 ()1 (/122021220220cvmcvmcvmm2022-6-2362020221vmcmmc整理得，整理得，相对论力学新

7、的概念：相对论力学新的概念：物体的静能物体的静能200cmE 相对论力学揭示的普适关系：相对论力学揭示的普适关系：质能守恒质能守恒物体能量的变化必然伴随其质量的变化，物体能量的变化必然伴随其质量的变化，反之亦然反之亦然。2mcE 核反应：核反应：质量亏损的理论解释；核能利用的理论依据质量亏损的理论解释；核能利用的理论依据。应当注意应当注意不是由不是由 决定能量决定能量 ，而是由，而是由 决定决定 ， 是基本的。mEmEE光子质量的定义光子质量的定义 。光子的能量光子的能量 是人为规定的；是人为规定的；2cEm E42022222)(cmcpmcE即：即：质量与粒子的波动性相联系：质量与粒子的波

8、动性相联系：mvhhp hE2022-6-237方法一方法一：物理天平物理天平仪器仪器原理原理方法二方法二：牛顿第二定律牛顿第二定律仪器仪器验证牛顿定律的整套仪器验证牛顿定律的整套仪器原理原理aFm 方法三方法三：利用物体的碰撞利用物体的碰撞 动量守恒定律动量守恒定律仪器仪器气垫导轨整套仪器气垫导轨整套仪器原理：由原理：由22112211vmvmvmvm三、质量测量十种方法三、质量测量十种方法2022-6-238得得112221vvvvmm方法四方法四：利用弹簧秤和单摆利用弹簧秤和单摆仪器仪器弹簧秤和单摆弹簧秤和单摆原理：原理：利用利用弹簧秤测物体的重量弹簧秤测物体的重量G利用利用单摆测当地的

9、重力加速度单摆测当地的重力加速度224TlglGTaGm224得得2022-6-239方法五方法五：运用万有引力定律测算天体的质量运用万有引力定律测算天体的质量仪器仪器弹簧秤和单摆弹簧秤和单摆原理：原理：利用利用弹簧秤测物体的重量弹簧秤测物体的重量G利用利用单摆测当地的重力加速度单摆测当地的重力加速度224TlglGTaGm224得得2022-6-2310方法六方法六：运用运用“电流天平电流天平安培秤安培秤”测物体的质量测物体的质量仪器仪器电流天平、安培表、学生电源电流天平、安培表、学生电源原理：电流天平原理：电流天平安培秤安培秤测物体的重量测物体的重量IlBmg 得得 两个固定线圈两个固定线

10、圈C1 和和 C2 ，一个活动，一个活动 线圈线圈CM ，通以相同的恒定电流，通以相同的恒定电流安培秤安培秤gIlBm 2022-6-2311方法七方法七：利用匀强电场测定带电粒子的质量利用匀强电场测定带电粒子的质量仪器仪器密立根油滴实验仪密立根油滴实验仪原理：原理：（1 1）带电的固体微粒所受电场力带电的固体微粒所受电场力dUqqEFgdqUm 得得（2 2）将）将带电固体微粒改为带电固体微粒改为 喷入的油滴即为密立喷入的油滴即为密立 根油滴实验根油滴实验密立根油滴实验原理密立根油滴实验原理2022-6-2312方法八方法八：利用电场和磁场（质谱仪）利用电场和磁场（质谱仪） 测定带电粒子的质

11、量测定带电粒子的质量仪器仪器密立根油滴实验仪、密立根油滴实验仪、质谱仪质谱仪原理：原理： 电场对带电粒子所做的电场对带电粒子所做的 功与其动能的关系为功与其动能的关系为 221mvqU mqUv22得得RvmqvB2代入代入得得URqBm222 质谱仪原理质谱仪原理2022-6-2313方法九方法九：利用克拉柏龙方程测定气体的质量利用克拉柏龙方程测定气体的质量仪器仪器 气体定律实验仪气体定律实验仪原理原理： （1 1）由由克拉柏龙方程克拉柏龙方程RTMmpV RTpVMm 得得即即（2 2）如果知道带测气体分子的个数如果知道带测气体分子的个数N ， 则可测气体分子的质量则可测气体分子的质量NR

12、TpVMNmmi2022-6-2314方法十方法十：利用油膜法测定气体分子的质量利用油膜法测定气体分子的质量仪器仪器 原理原理： 用用油膜法估测分子的大小油膜法估测分子的大小 浅盘（边长浅盘（边长40cm40cm左右、深度约左右、深度约3m3m）；玻璃板（比浅盘略大）；玻璃板（比浅盘略大）； 油酸酒精溶液（浓度的体积分数油酸酒精溶液（浓度的体积分数为为1/200或或1/500）；）；带针头的带针头的 注射器；注射器；量杯；水彩笔；量杯；水彩笔；痱子粉；滴管；石膏粉；等痱子粉；滴管；石膏粉；等由气体的密度公式由气体的密度公式得气体分子的质量得气体分子的质量 VmV油膜层油膜层浮在水面上的浮在水面上的痱子粉痱子粉2022-6-2315守恒律中的质量与能量的概念演变及其地位互换守恒律中的质量与能量的概念演变及其地位互换END-5参考书目参考书目1、倪光炯、倪光炯 李洪芳李洪芳 近代物理近代物理 上海科技出版社上海科技出版社2、漆安慎、漆安慎 杜婵英杜婵英 力学力学 高等教育出版社高等教育出版社3、 普通物理教学手册普通物理教学手册 北京师范大学出版社北京师范大学出版社问题与讨论问题与讨论