1.4 质谱仪与回旋加速器 课件(共37张PPT) 2024-2025学年人教版（2019）高中物理选择性必修第二册.pptxVIP

1.4质谱仪与回旋加速器人教版（2019）物理（选择性必修第二册）第一章安培力与洛伦兹力

目录素养目标01课程导入02新课讲解03总结归纳04课堂练习05

素养目标1.能够通过受力和运动分析，再结合电场中加速与圆周运动模型，分析质谱质谱仪和回旋加速器的工作原理2.了解质谱仪与回旋加速器在生活中的应用，能够对科学和生活科技的关系有一个正确的认识3.经历质谱仪和回旋加速器的设计过程，培养学生从真实情境中分析、提取建模信息的能力

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，带电粒子在磁场中运动的半径也不同想一想式中其他元素的影响

新课讲解

19世纪末，英国物理学家阿斯顿就按照这样的想法设计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20和氖-22，证实了同位素的存在。后来经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是科学研究和工业生产中的重要工具。

一、质谱仪1.质谱仪：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.结构及作用：①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子②加速电场：使带电粒子获得速度③粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场④偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离⑤照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径电离室加速电场偏转磁场照相底片速度选择器

3.原理：?在偏转磁场中：?????????加速电场若粒子的电荷量相同而质量不同，则不同粒子进入匀强磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，因此打到照相底片的不同位置。

???????速度选择器???在偏转磁场中：??由于粒子的荷质比不同，则做圆周运动的半径也不同，因此打到不同的位置。?4.作用：①可测粒子的质量及比荷②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素

经典例题例1.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的正电子(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半径为R的匀速圆周运动。求：（1）粒子射出加速器时的速度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？

解析：（1）在a中，e被加速电场U1加速，由动能定理有，得（2）在b中，e受的电场力和洛伦兹力大小相等，即，代入v值得（3）在c中，e受洛伦兹力作用而做圆周运动，回转半径，代入v值得

想要研究原子的结构，我们就需要“打开”原子核的高能“炮弹”，而加速器就是制造高能“炮弹”的“工厂”。在研究电场时，我们知道可以利用静电力对带电粒子做功增加粒子的能量，即,电压越高粒子增加的能量越大。但有一个技术问题就是如何产生高压？为了解决这一技术难题，我们想到了“多级加速”，也就是直线加速器，但设备太长。

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。北京正负电子对撞机改造后的直线加速器为建设科技强国加速

1929年，劳伦斯发明了后来被称为回旋加速器的“原子击破器”，1932年建成世界第一台回旋加速器。这是一种有奇特效能的能够加速带电粒子的装置。以后逐渐加大尺寸，在许多地方建成了一系列回旋加速器，致使他在加利福尼亚州伯克利的辐射实验室成为世界物理学家参观学习的基地。回旋加速器第一台回旋加速器1950年代美国布鲁克海文国家实验室的回旋加速器

因为直线加速的长度可能导致加速器长度太大无法建造，所以出现了回旋加速器，也就是把一个直的轨道弯曲起来。

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。回旋加速器的结构

回旋加速器的工作原理问题1：带电粒子在D形盒中做什么运动?问题2：为了保证带电粒子每次到达D形盒缝隙间都能被加速，那D形盒缝隙间的电场方向应该是恒定的还是变化的?问题3:粒子被加速后，在D型盒中的运动速率和运动半径都会增加，周期会增加吗？变化的匀速圆周运动周期不随运动速率与半径而产生变化问题4:你认为这个电场变化的周期是恒定的吗?

接高频电源狭缝粒子源??????如果在两盒间加一个交变电场，使它也以同样的周期往复变化，那就可以保证粒子每经过电场区域时，都正好赶上适合的电场方向而被加速。带电粒子在D形盒中运行的周期：每过