高中物理(新教材)選修二課件2：1-4質(zhì)譜儀與回旋加速器 人教版

1.4質(zhì)譜儀與回旋加速器

學習目標1.掌握質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)及工作原理，掌握粒子在磁場中運動的半徑和粒子的比荷。2.知道回旋加速器的構(gòu)造及工作原理，知道交流電的周期與粒子在磁場中運動的周期之間的關(guān)系，知道決定粒子最大動能的因素。知識回顧微觀帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的圓半徑和周期，與粒子運動的速度、磁場的磁感應強度有什么關(guān)系呢？由：得：再由：1.質(zhì)譜儀：利用磁場對帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，由帶電粒子的電荷量、軌道半徑確定其質(zhì)量的儀器。一、質(zhì)譜儀2.結(jié)構(gòu)及作用：①電離室：使中性氣體電離，產(chǎn)生帶電粒子②加速電場：使帶電粒子獲得速度③粒子速度選擇器：以相同速度進入偏轉(zhuǎn)磁場④偏轉(zhuǎn)磁場：使不同帶電粒子偏轉(zhuǎn)分離⑤照相底片：記錄不同粒子偏轉(zhuǎn)位置及半徑電離室加速電場偏轉(zhuǎn)磁場照相底片速度選擇器3.原理經(jīng)加速電場獲得速度v：

在偏轉(zhuǎn)磁場中：原理圖EBPSB0A1A2加速電場速度選擇器由于粒子的荷質(zhì)比不同，則做圓周運動的半徑也不同，因此打到不同的位置。4.質(zhì)譜儀的用途①可測粒子的質(zhì)量及比荷②與已知粒子半徑對比可發(fā)現(xiàn)未知的元素和同位素在粒子物理學的研究中，經(jīng)常需要高能粒子做為“炮彈”去轟擊未知原子，以便“打開”其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。那如何才能獲得需要的高能粒子呢？二、回旋加速器

世界上第一臺回旋加速器

1932年美國物理學家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)對帶電粒子進行多級加速。二、回旋加速器

世界上第一臺回旋加速器

1932年美國物理學家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)對帶電粒子進行多級加速。1.回旋加速器的構(gòu)造：兩個D形盒，兩D形盒接交流電源，D形盒處于垂直于D形盒的勻強磁場中，如圖所示?；匦铀倨髟黼妶鯡：使粒子加速磁場B：使粒子偏轉(zhuǎn)，速率不變加速條件：粒子最大動能：當帶電粒子的速度最大時，其運動半徑也最大，由半徑公式得，若D形盒半徑為R，則帶電粒子的最終動能。2.回旋加速器的原理可見，帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無關(guān)，只與磁感應強度B

和D形盒半徑R

有關(guān)。粒子被加速次數(shù)的計算：粒子在回旋加速器中被加速的次數(shù)n＝(U是加速電壓的大小)，一個周期加速兩次。粒子在回旋加速器中運動的時間：在電場中運動的時間為t1，在磁場中運動的時間為t2=

(n是粒子被加速次數(shù))，總時間為t＝t1＋t2，因為t1?t2，一般認為在盒內(nèi)的時間近似等于t2。1.現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來分析比質(zhì)子重很多倍的離子，其示意圖如圖所示，其中加速電壓恒定。質(zhì)子在入口處從靜止開始被加速電場加速，經(jīng)勻強磁場偏轉(zhuǎn)后從出口離開磁場。若某種一價正離子在入口處從靜止開始被同一加速電場加速，為使它經(jīng)勻強磁場偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開磁場，需將磁感應強度增加到原來的12倍。此離子和質(zhì)子的質(zhì)量比約為(

)A．11

B．12

C．121

D．144鞏固練習D

ABC

ABC3.如圖所示，回旋加速器D形盒的半徑為R，用來加速質(zhì)量為m，電量為q的質(zhì)子，質(zhì)子每次經(jīng)過電場區(qū)時，都恰好在電壓為U時被加速，且電場可視為勻強電場，使質(zhì)子由靜止加速到能量為E后，由A孔射出。下列說法正確的是（）A．D形盒半徑R、磁感應強度B不變，若加速電壓U越高，

質(zhì)子的能量E將越大B．磁感應強度B不變，若加速電壓U不變，D形盒半徑R越大，

質(zhì)子的能量E將越大C．D形盒半徑R、磁感應強度B不變，若加速電壓U越高，質(zhì)子在加速器中的運動時間將越長D．D形盒半徑R、磁感應強度B不變，若加速電壓U越高，質(zhì)子在加速器中的運動時間將越短BD4.(多選)回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電源兩極相連接的兩個D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成周期性變化的電場，使粒子在通過狹縫時都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強磁場中，如圖所示。設D形盒半徑為R，若用回旋加速器加速質(zhì)子時，勻強磁場的磁感應強度為B，高頻交流電頻率為f，則下列說法正確的是(

)A．質(zhì)子被加速后的最大速度不可能超過2πfRB．質(zhì)子被加速后的最大速度與加速電場的電壓大小無關(guān)C．只要R足夠大，質(zhì)子的速度可以被加速到任意值D．不改變B和f，該回旋加速器也能用于加速α粒子AB備用工具&資料3.如圖所示，回旋加速器D形盒的半徑為R，用來加速質(zhì)量為m，電量為q的質(zhì)子，質(zhì)子每次經(jīng)過電場區(qū)時，都恰好在電壓為U時被加速，且電場可視為勻強電場，使質(zhì)子由靜止加速到能量為E后，由A孔射出。下列說法正確的是（）A．D形盒半徑R、磁感應強度B不變，若加速電壓U越高，

質(zhì)子的能量E將越大B．磁感應強度B不變，若加速電壓U不變，D形盒半徑R越大，

質(zhì)子的能量E將越大C．D形盒半徑R、磁感應強度B不變，若加速電壓U越高，質(zhì)子在加速器中的運動時間將越長D．D形盒半徑R、磁感應強度B不變，若加速電壓U越高，質(zhì)子在加速器中的運動時間將越短BD1.現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來分析比質(zhì)子重很多倍的離子，其示意圖如圖所示，其中加速電壓恒定。質(zhì)子在入口處從靜止開始被加速電場加速，經(jīng)勻強磁場偏轉(zhuǎn)后從出口離開磁場。若某種一價正離子在入口處從靜止開始被同一加速電場加速，為使它經(jīng)勻強磁場偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開磁場，需將磁感應強度增加到原來的12倍。此離子和質(zhì)子的質(zhì)量比約為(

)A．11

B．12

C．121

D．144鞏固練習D

知識回顧微觀帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的圓半徑和周期，與粒子運動的速度、磁場的磁感應強度有什么關(guān)系呢？由：得：再由：3.原理經(jīng)加速電場獲得速度v：

在偏轉(zhuǎn)磁場中：原理圖EBPSB0A1A2加速電場速度選擇器由于粒子的荷質(zhì)比不同，則做圓周