1.4 质谱仪与回旋加速器 (38页)课件-2022-2023学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册.pptx
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| 名称 | 1.4 质谱仪与回旋加速器 (38页)课件-2022-2023学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册.pptx |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 5.2MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-11-25 11:22:58 | ||
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文档简介
(共38张PPT)
第4节 质谱仪与回旋加速器
第一章 安培力与洛伦兹力
学习目标
知道质谱仪的工作原理
01
知道回旋加速器的工作原理
02
01
质谱仪
思考：怎么把小米和云豆分开？
提示:他们质量和体积不一样
那如果是把大小相同的粒子分开呢
用筛子可以把大小不同的物体分开
不同的粒子有不同的质量和带电量
我们可以根据磁场或电场中的粒子的偏转情况不同
筛选出不同种类的粒子
__________
知识回顾
由：
得：
再由：
带电粒子垂直射入磁场的时候，运动轨迹半径和周期怎么求？
U0
B
m , q
电场
由：
得：
磁场
由：
得：
得：
如何分离不同比荷的带电粒子？
加速
偏转
质谱仪的原理
质谱仪
如果磁感应强度B，加速电压U0不变
则：半径r和带电粒子的比荷有关
所以质谱仪能区分
比荷不同的粒子
质谱仪的原理
质谱仪
的作用
2
1
可测粒子的质量及比荷
与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素
①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子
电离室
质谱仪的结构
②加速电场：使带电粒子获得速度
加速电场
质谱仪的结构
这块还可以搭配前面学习的速度选择器
选择我们实验需要的速度
③偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
偏转磁场
质谱仪的结构
④照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
照相底片
质谱仪的结构
质谱线
质谱线：质量相同的粒子打在同一线
例题 现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为（ ）
A. 11 B. 12 C. 121 D. 144
D
练习1质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图。离子源S产生的各种不同正离子束(速度可视为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x，可以判断( )
A．若离子束是同位素，则x越小，离子质量越大
B．若离子束是同位素，则x越小，离子质量越小
C．只要x相同，则离子质量一定相同
D．x越大，则离子的比荷一定越大
B
练习2如图为质谱仪测定带电粒子质量的装置示意图。速度选择器中场强E方向向下，磁感应强度B1的方向垂直纸面向里，右侧分离器中磁感应强度B2的方向垂直纸面向外。在S处有甲、乙、丙、丁四个一价正离子垂直于E和B1入射。若
，不计重力，则 打在四点的离子分别是（ ）
A. 甲乙丙丁 B. 甲丁乙丙 C. 丙丁乙甲 D. 甲乙丁丙
B
练习3. (多选)质谱仪的原理如图所示，虚线AD上方区域处在垂直纸面向外的匀强磁场中，C、D处有一荧光屏。同位素离子源产生a、b两种电荷量相同的离子，无初速度进入加速电场，经同一电压加速后，垂直进入磁场，a离子恰好打在荧光屏C点，b离子恰好打在D点。离子重力不计。则( )
A．a离子质量比b的大
B．a离子质量比b的小
C．a离子在磁场中的运动时间比b的短
D．a、b离子在磁场中的运动时间相等
BC
02
回旋加速器
在钢铁侠2中，Tony造了一个粒子加速器
可以使粒子加速到很大的速度
物体的速度能突破光速吗？
爱因斯坦：不能！
多级直线加速器
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
想要加到接近光速，直线加速器太长了。
需要上千公里
成本太高，不实际
回旋加速器
回旋加速器是一种使离子加速的圆形加速器。
欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence）于1932年发明，并因此获得诺贝尔奖。
回旋加速器的原理
如图所示，D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电势差U，A处的粒子源产生的带电粒子在两盒之间被电场加速。D1、D2处于与盒面垂直的匀强磁场B中，粒子将在磁场中做匀速圆周运动，经半个圆周(半个周期)后，再次到达两盒间的缝隙，控制两盒间电势差，使其恰好改变正负，于是粒子在盒缝间再次被加速，如果粒子每次通过盒间缝隙均能被加速，粒子速度就能够增加到很大。
回旋加速器的原理
注意：在磁场中的运动时间和速度无关
回旋加速器的原理
周期
粒子每经过一次加速，其轨道半径就增大一些，但粒子绕圆周运动的周期不变。
交变电压周期性变化即可
带电粒子的最终能量
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．
当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由r =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：
回旋加速器
交变电源的周期应该与粒子圆周运动一样
注意：粒子只在缝隙里加速
思考：回旋加速器可以造的特别大吗？
回旋加速器不可无限加速：
根据相对论，粒子速度v接近光速c时，质量变大，在磁场中运动周期改变，与交变电场周期不同步。
改进：
练习1（多选）如图是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核(H)和氦核(He)。下列说法中正确的是( )
A．它们的最大速度相同
B．它们的最大动能相同
C．它们在D形盒中运动的周期相同
D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能
AC
练习2如图所示，回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的装置，其核心部分是两个D形金属盒，置于匀强磁场中，两盒分别与高频电源相连。下列说法正确的有( )
A．粒子被加速后的最大速度随磁感应强度和D形盒的半径的增大而增大
B．粒子被加速后的最大动能随高频电源的加速电压的增大而增大
C．粒子可以在回旋加速器中一直被加速
D．粒子从磁场中获得能量
A
练习3(多选)如图是回旋加速器的工作原理图。D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电压，A处的粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，粒子在半圆盒中做匀速圆周运动。不计带电粒子在电场中的加速时间，不考虑由相对论效应带来的影响，则下列说法正确的是( )
A．粒子在D形盒中的运动周期与两盒间交变电压的周期相同
B．回旋加速器是靠电场加速的，因此其最大能量与电压有关
C．回旋加速器是靠磁场加速的，因为其最大能量与电压无关
D．粒子在回旋加速器中运动的总时间与电压有关
AD
练习4(多选)如图所示是医用回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核()和氦核()。下列说法中正确的是( )
A．氘核()的最大速度较大
B．它们在D形盒内运动的周期相等
C．氦核()的最大动能较大
D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能
BC
练习5如图所示，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源两极相连接的两个D形盒，两盒间构成一狭缝，两D形盒处于垂直于盒面的匀强磁场中。下列有关回旋加速器的描述正确的是( )
A．粒子由加速器的边缘进入加速器
B．粒子由加速器的中心附近进入加速器
C．粒子在狭缝和D形盒中运动时都能获得加速
D．交流电源的周期必须等于粒子在D形盒中运动周期的2倍
B
练习6［多选］如图甲所示是回旋加速器的示意图，其核心部分
是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁
场中，并分别与高频电源相连。带电粒子在磁场中运动的动能
Ek随时间t变化的规律如图乙所示，若忽略带电粒子在电场中的
加速时间，则下列判断中正确的是（ ）
A.在Ek-t图像中应有t4-t3=t3-t2=t2-t1
B.高频电源的变化周期应该等于tn-tn-1
C.粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大
D.要想使粒子获得的最大动能变大，则可将D形盒的面积变大
甲
乙
AD
Thank you
第4节 质谱仪与回旋加速器
第一章 安培力与洛伦兹力
学习目标
知道质谱仪的工作原理
01
知道回旋加速器的工作原理
02
01
质谱仪
思考：怎么把小米和云豆分开？
提示:他们质量和体积不一样
那如果是把大小相同的粒子分开呢
用筛子可以把大小不同的物体分开
不同的粒子有不同的质量和带电量
我们可以根据磁场或电场中的粒子的偏转情况不同
筛选出不同种类的粒子
__________
知识回顾
由：
得：
再由：
带电粒子垂直射入磁场的时候，运动轨迹半径和周期怎么求？
U0
B
m , q
电场
由：
得：
磁场
由：
得：
得：
如何分离不同比荷的带电粒子？
加速
偏转
质谱仪的原理
质谱仪
如果磁感应强度B，加速电压U0不变
则：半径r和带电粒子的比荷有关
所以质谱仪能区分
比荷不同的粒子
质谱仪的原理
质谱仪
的作用
2
1
可测粒子的质量及比荷
与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素
①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子
电离室
质谱仪的结构
②加速电场：使带电粒子获得速度
加速电场
质谱仪的结构
这块还可以搭配前面学习的速度选择器
选择我们实验需要的速度
③偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
偏转磁场
质谱仪的结构
④照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
照相底片
质谱仪的结构
质谱线
质谱线：质量相同的粒子打在同一线
例题 现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为（ ）
A. 11 B. 12 C. 121 D. 144
D
练习1质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图。离子源S产生的各种不同正离子束(速度可视为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x，可以判断( )
A．若离子束是同位素，则x越小，离子质量越大
B．若离子束是同位素，则x越小，离子质量越小
C．只要x相同，则离子质量一定相同
D．x越大，则离子的比荷一定越大
B
练习2如图为质谱仪测定带电粒子质量的装置示意图。速度选择器中场强E方向向下，磁感应强度B1的方向垂直纸面向里，右侧分离器中磁感应强度B2的方向垂直纸面向外。在S处有甲、乙、丙、丁四个一价正离子垂直于E和B1入射。若
，不计重力，则 打在四点的离子分别是（ ）
A. 甲乙丙丁 B. 甲丁乙丙 C. 丙丁乙甲 D. 甲乙丁丙
B
练习3. (多选)质谱仪的原理如图所示，虚线AD上方区域处在垂直纸面向外的匀强磁场中，C、D处有一荧光屏。同位素离子源产生a、b两种电荷量相同的离子，无初速度进入加速电场，经同一电压加速后，垂直进入磁场，a离子恰好打在荧光屏C点，b离子恰好打在D点。离子重力不计。则( )
A．a离子质量比b的大
B．a离子质量比b的小
C．a离子在磁场中的运动时间比b的短
D．a、b离子在磁场中的运动时间相等
BC
02
回旋加速器
在钢铁侠2中，Tony造了一个粒子加速器
可以使粒子加速到很大的速度
物体的速度能突破光速吗？
爱因斯坦：不能！
多级直线加速器
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
想要加到接近光速，直线加速器太长了。
需要上千公里
成本太高，不实际
回旋加速器
回旋加速器是一种使离子加速的圆形加速器。
欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence）于1932年发明，并因此获得诺贝尔奖。
回旋加速器的原理
如图所示，D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电势差U，A处的粒子源产生的带电粒子在两盒之间被电场加速。D1、D2处于与盒面垂直的匀强磁场B中，粒子将在磁场中做匀速圆周运动，经半个圆周(半个周期)后，再次到达两盒间的缝隙，控制两盒间电势差，使其恰好改变正负，于是粒子在盒缝间再次被加速，如果粒子每次通过盒间缝隙均能被加速，粒子速度就能够增加到很大。
回旋加速器的原理
注意：在磁场中的运动时间和速度无关
回旋加速器的原理
周期
粒子每经过一次加速，其轨道半径就增大一些，但粒子绕圆周运动的周期不变。
交变电压周期性变化即可
带电粒子的最终能量
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．
当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由r =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：
回旋加速器
交变电源的周期应该与粒子圆周运动一样
注意：粒子只在缝隙里加速
思考：回旋加速器可以造的特别大吗？
回旋加速器不可无限加速：
根据相对论，粒子速度v接近光速c时，质量变大，在磁场中运动周期改变，与交变电场周期不同步。
改进：
练习1（多选）如图是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核(H)和氦核(He)。下列说法中正确的是( )
A．它们的最大速度相同
B．它们的最大动能相同
C．它们在D形盒中运动的周期相同
D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能
AC
练习2如图所示，回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的装置，其核心部分是两个D形金属盒，置于匀强磁场中，两盒分别与高频电源相连。下列说法正确的有( )
A．粒子被加速后的最大速度随磁感应强度和D形盒的半径的增大而增大
B．粒子被加速后的最大动能随高频电源的加速电压的增大而增大
C．粒子可以在回旋加速器中一直被加速
D．粒子从磁场中获得能量
A
练习3(多选)如图是回旋加速器的工作原理图。D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电压，A处的粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，粒子在半圆盒中做匀速圆周运动。不计带电粒子在电场中的加速时间，不考虑由相对论效应带来的影响，则下列说法正确的是( )
A．粒子在D形盒中的运动周期与两盒间交变电压的周期相同
B．回旋加速器是靠电场加速的，因此其最大能量与电压有关
C．回旋加速器是靠磁场加速的，因为其最大能量与电压无关
D．粒子在回旋加速器中运动的总时间与电压有关
AD
练习4(多选)如图所示是医用回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核()和氦核()。下列说法中正确的是( )
A．氘核()的最大速度较大
B．它们在D形盒内运动的周期相等
C．氦核()的最大动能较大
D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能
BC
练习5如图所示，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源两极相连接的两个D形盒，两盒间构成一狭缝，两D形盒处于垂直于盒面的匀强磁场中。下列有关回旋加速器的描述正确的是( )
A．粒子由加速器的边缘进入加速器
B．粒子由加速器的中心附近进入加速器
C．粒子在狭缝和D形盒中运动时都能获得加速
D．交流电源的周期必须等于粒子在D形盒中运动周期的2倍
B
练习6［多选］如图甲所示是回旋加速器的示意图，其核心部分
是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁
场中，并分别与高频电源相连。带电粒子在磁场中运动的动能
Ek随时间t变化的规律如图乙所示，若忽略带电粒子在电场中的
加速时间，则下列判断中正确的是（ ）
A.在Ek-t图像中应有t4-t3=t3-t2=t2-t1
B.高频电源的变化周期应该等于tn-tn-1
C.粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大
D.要想使粒子获得的最大动能变大，则可将D形盒的面积变大
甲
乙
AD
Thank you