物理人教版（2019）选择性必修第二册1.4 质谱仪和回旋加速器（共28张ppt）
文档属性
| 名称 | 物理人教版（2019）选择性必修第二册1.4 质谱仪和回旋加速器（共28张ppt） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 15.3MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-11-29 09:15:02 | ||
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文档简介
(共28张PPT)
1.4质谱仪和回旋加速器
学习目标
1.了解质谱仪和回旋加速器的原理、构造、用途
2. 会应用质谱仪求解带电粒子的比荷
3. 理解回旋加速器加速的加速原理和决定关系。
为了便于存取，超市不同种类的豆子是分开存放
太阳每天都会向我们地球发射大量的带电粒子
那么这些粒子都是什么种类的粒子？ 这时我们也需要的是将这些粒子分开来研究，
设计实验方案：如何分离不同带电粒子？
新课引入
U0
L
y
U d
m , q
（1）先电场加速
（2）再电场偏转
由：
得：
通过分析发现带电粒子的运动轨迹跟电荷量和粒子质量无关，显然是分不开的。
我认为粒子必须动起来才可能分开，所以要先用电场加速粒子再用电场偏转粒子，有可能就分成不同轨迹了，也就把不同粒子分开了。
由水平：
由竖直：
质谱仪和回旋加速器
听听同学甲有什么想法：
得：
（1）先电场加速
由：
得：
U0
B
m , q
（2）再磁场偏转
由：
得：
得：
根据r这个表达式，B、U0一定时，不同比荷（q/m）的带电粒子进入磁场后将沿不同的半径做圆周运动，因此可以分离。
同学乙的想法：
我也认为粒子必须动起来才能分开，可以用电场加速粒子，再用磁场去偏转粒子，说不定会分成不同轨迹。
如何记录粒子的轨迹？如何测量？
质谱仪和回旋加速器
照相底片
如果我们在磁场的上边界适当处放置一张感光底片，大量的不同带电粒子打在照相底片的不同地方感光，通过测量感光点与入射点的距离就可以测出圆周运动的半径r，进而可以算出粒子的比荷（q/m）或算出粒子的质量。
继续改进
质谱仪和回旋加速器
高二物理
弗朗西斯 阿斯顿
在19世纪末，英国物理学家汤姆孙的学生“阿斯顿”就按照这样的想法设计了质谱仪，证实了化学中同位素的存在。现在经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是粒子物理科学研究和分析同位素的重要工具。
1.质谱仪的发明
一、质谱仪
质谱仪和回旋加速器
高二物理
2. 质谱仪的构造
质谱仪主要由以下几部分组成
① 带电粒子注入器
② 加速电场 ( U )
③ 速度选择器 ( B1、E )
④ 偏转磁场 ( B2)
⑤ 照相底片
质谱仪和回旋加速器
高二物理
3. 质谱仪的工作原理
（1）在加速电场中，带电粒子获得速度，即
（2）在速度选择器中，只有满足 qvB1 = qE，
即 粒子才能通过 速度选择器。
（3）在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为：
一、质谱仪
质谱仪和回旋加速器
高二物理
V形同，B2相同，因此不同比荷（q/m）的带电粒子进入磁场后将沿不同的半径做圆周运动
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
质谱仪和回旋加速器
高二物理
未知的元素对应了不同种类的原子，我们该如何去研究不同的原子组成成分呢？
在粒子物理学的研究中，经常需要高能粒子做为“子弹”去轰击未知原子，以便“打开”其内部结构。那如何才能获得需要的高能粒子呢？
高速可子弹击碎物体
高能粒子做为“子弹”去轰击未知原子
质谱仪和回旋加速器
高二物理
1.单级加速器
·
＋
－
U
m
q
粒子获得的能量：Ek=Uq
缺点: 受实际能达到的电压限制,所获能量并不太高
二、直线加速器
质谱仪和回旋加速器
高二物理
２.多级加速器
缺点：由于粒子在加速过程中的径迹为直线，要得到较高动能的粒子，其加速装置要很长。
质谱仪和回旋加速器
能不能设计一种能实现多次加速，又减少占地空间的加速器呢？
北京正负电子对撞机俯视图
欧州的强子对撞外景
质谱仪和回旋加速器
高二物理
U
m , q
B
如果让带电粒子在电场中加速一次后，能转一圈回来被电场再接着加速，如此往复转圈式的被加速，不就可以多次加速又省空间了吗？
基于这种想法，人们设计出了用磁场控制轨道，用电场进行加速的装置,就是回旋加速器。
我的想法是，只有电场才能让粒子加速，磁场的洛伦兹力只能改变粒子的方向，但是磁场能让粒子做反反复复的圆周运动。
同学丙的想法：
质谱仪和回旋加速器
高二物理
1. 回旋加速器的发明
1932 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对带电粒子进行多级加速。
三、回旋加速器
劳伦斯
第一台回旋加速器
质谱仪和回旋加速器
高二物理
2. 回旋加速器的构造：两半圆金属盒D1、D2 ，D形盒的缝隙处接交流电源。D形盒处于匀强磁场中。
三、回旋加速器
质谱仪和回旋加速器
高二物理
如图是回旋加速器的原理图，思考下列问题：
(1)电场的作用是什么？
(2)磁场的作用是什么？粒子在磁场中运动特点？
(3)为了保证粒子每次经过电场都被加速，对交变电压的周期有什么要求？
(4)带电粒子经过回旋加速器加速后，获得的动能由哪些因素决定
【问题探究】
电场
→加速
磁场
→偏转
获得高能粒子
3. 回旋加速器的工作原理分析
质谱仪和回旋加速器
接高频
电源
狭缝
原理图
粒子源
（1）电场的作用：两个D形盒之间的窄缝区域存在 的匀强电场，带电粒子每次经过该区域时被加速。
（2）磁场的作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做 ，运动 后平行电场方向进入电场中加速。 磁场起偏转约束的作用。
3、回旋加速器原理
周期性变化
匀速圆周运动
半个周期
质谱仪和回旋加速器
高二物理
（3）．条件：高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期 。粒子每经过两金属盒缝隙时都被加速，其轨道半径就大一些，粒子做匀速圆周运动的周期 。高频交流电源的周期表达式为 。
相同
不变
（4）．最大动能：由 和 ，联立解得 (R为D形盒的半径)，即粒子在回旋加速器中获得的最大动能与q、m、B、R有关，与加速电压无关。
质谱仪和回旋加速器
高二物理
我国最近自主研发成功的超导回旋加速器。
4.回旋加速器应用
目前世界上能量最高的超级粒子同步回旋加速器，直径达2公里左右，能量可达500吉电子伏。
质谱仪和回旋加速器
回旋加速器越大就越能提高粒子的能量吗？
回旋加速器粒子加速偏转再加速再偏转这个过程看似可以一直进行下去，但实际上由于相对论的效应，粒子的质量会随着速度增，圆周运动的周期也增加，这样电场与运动不再同步，也就没办法加速了。
质谱仪和回旋加速器
回旋加速器如果非常非常大，粒子加速偏转再加速再偏转就持续下去，从而可以把粒子的能量加速到无限大，这样的回旋加速器可能有吗？
同学丁的想法：
练一练.（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
质谱仪和回旋加速器
高二物理
课堂小结
原理:
质谱仪
构造:粒子源、加速电场、偏转磁场、胶片
用途:计算粒子的比荷，分析同位素
优点:灵敏度高，结构简单
缺点:几乎没有
电场作用：使带电粒子获得一定速度
磁场作用：使带电粒子偏转
胶片：使粒子显影
课堂小结
原理:
回旋加速器
构造:D形盒、强电磁铁、交流电源、粒子源、引出装置
用途:利用电场加速和磁场偏转获得高能粒子
优点:体积小。
缺点:带电粒子的能量不能很高。
磁场作用：使带电粒子偏转
电场作用：使带电粒子加速
加速条件：交变电源周期与圆周运动周期同步
布置作业
1.课本19页第1题，第4题。21页B组第4题。
2.查找资料自学：大型强子对撞机
感谢聆听 敬请指导
1.4质谱仪和回旋加速器
学习目标
1.了解质谱仪和回旋加速器的原理、构造、用途
2. 会应用质谱仪求解带电粒子的比荷
3. 理解回旋加速器加速的加速原理和决定关系。
为了便于存取，超市不同种类的豆子是分开存放
太阳每天都会向我们地球发射大量的带电粒子
那么这些粒子都是什么种类的粒子？ 这时我们也需要的是将这些粒子分开来研究，
设计实验方案：如何分离不同带电粒子？
新课引入
U0
L
y
U d
m , q
（1）先电场加速
（2）再电场偏转
由：
得：
通过分析发现带电粒子的运动轨迹跟电荷量和粒子质量无关，显然是分不开的。
我认为粒子必须动起来才可能分开，所以要先用电场加速粒子再用电场偏转粒子，有可能就分成不同轨迹了，也就把不同粒子分开了。
由水平：
由竖直：
质谱仪和回旋加速器
听听同学甲有什么想法：
得：
（1）先电场加速
由：
得：
U0
B
m , q
（2）再磁场偏转
由：
得：
得：
根据r这个表达式，B、U0一定时，不同比荷（q/m）的带电粒子进入磁场后将沿不同的半径做圆周运动，因此可以分离。
同学乙的想法：
我也认为粒子必须动起来才能分开，可以用电场加速粒子，再用磁场去偏转粒子，说不定会分成不同轨迹。
如何记录粒子的轨迹？如何测量？
质谱仪和回旋加速器
照相底片
如果我们在磁场的上边界适当处放置一张感光底片，大量的不同带电粒子打在照相底片的不同地方感光，通过测量感光点与入射点的距离就可以测出圆周运动的半径r，进而可以算出粒子的比荷（q/m）或算出粒子的质量。
继续改进
质谱仪和回旋加速器
高二物理
弗朗西斯 阿斯顿
在19世纪末，英国物理学家汤姆孙的学生“阿斯顿”就按照这样的想法设计了质谱仪，证实了化学中同位素的存在。现在经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是粒子物理科学研究和分析同位素的重要工具。
1.质谱仪的发明
一、质谱仪
质谱仪和回旋加速器
高二物理
2. 质谱仪的构造
质谱仪主要由以下几部分组成
① 带电粒子注入器
② 加速电场 ( U )
③ 速度选择器 ( B1、E )
④ 偏转磁场 ( B2)
⑤ 照相底片
质谱仪和回旋加速器
高二物理
3. 质谱仪的工作原理
（1）在加速电场中，带电粒子获得速度，即
（2）在速度选择器中，只有满足 qvB1 = qE，
即 粒子才能通过 速度选择器。
（3）在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为：
一、质谱仪
质谱仪和回旋加速器
高二物理
V形同，B2相同，因此不同比荷（q/m）的带电粒子进入磁场后将沿不同的半径做圆周运动
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
质谱仪和回旋加速器
高二物理
未知的元素对应了不同种类的原子，我们该如何去研究不同的原子组成成分呢？
在粒子物理学的研究中，经常需要高能粒子做为“子弹”去轰击未知原子，以便“打开”其内部结构。那如何才能获得需要的高能粒子呢？
高速可子弹击碎物体
高能粒子做为“子弹”去轰击未知原子
质谱仪和回旋加速器
高二物理
1.单级加速器
·
＋
－
U
m
q
粒子获得的能量：Ek=Uq
缺点: 受实际能达到的电压限制,所获能量并不太高
二、直线加速器
质谱仪和回旋加速器
高二物理
２.多级加速器
缺点：由于粒子在加速过程中的径迹为直线，要得到较高动能的粒子，其加速装置要很长。
质谱仪和回旋加速器
能不能设计一种能实现多次加速，又减少占地空间的加速器呢？
北京正负电子对撞机俯视图
欧州的强子对撞外景
质谱仪和回旋加速器
高二物理
U
m , q
B
如果让带电粒子在电场中加速一次后，能转一圈回来被电场再接着加速，如此往复转圈式的被加速，不就可以多次加速又省空间了吗？
基于这种想法，人们设计出了用磁场控制轨道，用电场进行加速的装置,就是回旋加速器。
我的想法是，只有电场才能让粒子加速，磁场的洛伦兹力只能改变粒子的方向，但是磁场能让粒子做反反复复的圆周运动。
同学丙的想法：
质谱仪和回旋加速器
高二物理
1. 回旋加速器的发明
1932 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对带电粒子进行多级加速。
三、回旋加速器
劳伦斯
第一台回旋加速器
质谱仪和回旋加速器
高二物理
2. 回旋加速器的构造：两半圆金属盒D1、D2 ，D形盒的缝隙处接交流电源。D形盒处于匀强磁场中。
三、回旋加速器
质谱仪和回旋加速器
高二物理
如图是回旋加速器的原理图，思考下列问题：
(1)电场的作用是什么？
(2)磁场的作用是什么？粒子在磁场中运动特点？
(3)为了保证粒子每次经过电场都被加速，对交变电压的周期有什么要求？
(4)带电粒子经过回旋加速器加速后，获得的动能由哪些因素决定
【问题探究】
电场
→加速
磁场
→偏转
获得高能粒子
3. 回旋加速器的工作原理分析
质谱仪和回旋加速器
接高频
电源
狭缝
原理图
粒子源
（1）电场的作用：两个D形盒之间的窄缝区域存在 的匀强电场，带电粒子每次经过该区域时被加速。
（2）磁场的作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做 ，运动 后平行电场方向进入电场中加速。 磁场起偏转约束的作用。
3、回旋加速器原理
周期性变化
匀速圆周运动
半个周期
质谱仪和回旋加速器
高二物理
（3）．条件：高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期 。粒子每经过两金属盒缝隙时都被加速，其轨道半径就大一些，粒子做匀速圆周运动的周期 。高频交流电源的周期表达式为 。
相同
不变
（4）．最大动能：由 和 ，联立解得 (R为D形盒的半径)，即粒子在回旋加速器中获得的最大动能与q、m、B、R有关，与加速电压无关。
质谱仪和回旋加速器
高二物理
我国最近自主研发成功的超导回旋加速器。
4.回旋加速器应用
目前世界上能量最高的超级粒子同步回旋加速器，直径达2公里左右，能量可达500吉电子伏。
质谱仪和回旋加速器
回旋加速器越大就越能提高粒子的能量吗？
回旋加速器粒子加速偏转再加速再偏转这个过程看似可以一直进行下去，但实际上由于相对论的效应，粒子的质量会随着速度增，圆周运动的周期也增加，这样电场与运动不再同步，也就没办法加速了。
质谱仪和回旋加速器
回旋加速器如果非常非常大，粒子加速偏转再加速再偏转就持续下去，从而可以把粒子的能量加速到无限大，这样的回旋加速器可能有吗？
同学丁的想法：
练一练.（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
质谱仪和回旋加速器
高二物理
课堂小结
原理:
质谱仪
构造:粒子源、加速电场、偏转磁场、胶片
用途:计算粒子的比荷，分析同位素
优点:灵敏度高，结构简单
缺点:几乎没有
电场作用：使带电粒子获得一定速度
磁场作用：使带电粒子偏转
胶片：使粒子显影
课堂小结
原理:
回旋加速器
构造:D形盒、强电磁铁、交流电源、粒子源、引出装置
用途:利用电场加速和磁场偏转获得高能粒子
优点:体积小。
缺点:带电粒子的能量不能很高。
磁场作用：使带电粒子偏转
电场作用：使带电粒子加速
加速条件：交变电源周期与圆周运动周期同步
布置作业
1.课本19页第1题，第4题。21页B组第4题。
2.查找资料自学：大型强子对撞机
感谢聆听 敬请指导