1.4 质谱仪与回旋加速器 课件 (共16张PPT) 高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册
文档属性
| 名称 | 1.4 质谱仪与回旋加速器 课件 (共16张PPT) 高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册 |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 1.2MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2023-02-23 22:11:40 | ||
图片预览
文档简介
(共16张PPT)
质谱仪与回旋加速器
温故知新
速度选择器
Eq=Bqv
磁流体发电
Eq=Bqv
带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期和半径
质谱仪
质谱仪的结构及其作用
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偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
④照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
质谱仪
加速电场
（1）粒子进入磁场时的速率
（2）粒子在磁场中运动的轨道半径
可以看出，q一样，m不同，r不同。根据r可以算出比荷。
质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。
提出问题
如何产生极高能量的粒子
要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进行“观察”。然而，原子核被强大的核力约束，只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才能把它“打开”。如何产生极高能量的粒子？
粒子加速器
粒子加速
还记得必修三中学过的直线加速器吗，他的工作原理是怎样的，它有什么弊端？
设电子进入第 n 个圆筒后的速度为 v，根据动能定理有：
得
第 n 个圆筒的长度为
直线加速器
直线加速器的原理
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。
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？
斯坦福直线加速器中心鸟瞰图
直线加速器
直线加速器的缺陷
仅缝隙之间，有加速电场
垂直于纸面的磁场未画出
回旋加速器
两D形盒中有匀强磁场，盒间缝隙有电场。
电场使粒子加速，磁场使粒子回旋。
如果带电粒子在一次加速后又转回来被第二次加速，如此往复“转圈圈”式地被加速，所用空间不就大大减小吗？
磁场正好能让带电粒子“转圈圈”,人们依据这个思路设计出了，磁场控制轨道、电场进行加速的回旋加速器。
粒子从A1开始到A1‘，在电场中加速到A1‘，从A1‘到A2‘粒子在磁场中圆周运动，只改变速度方向，不改变速度大小。
从A2‘到A2，在电场中加速到A2，但是电场方向必须相反。
从A2到A3，匀速圆周运动。从A1到A3，刚好一圈，视为一个周期。
一圈，一周期内，加速两次，电势差的正负变化两次，这么一圈又一圈。
显然，由于速度变化，r变大，周期T 变了吗？
粒子的运动越来越快，也许粒子走过半圈的时间间隔越来越短，这样两盒间电势差的正负变换就要越来越快，从而造成技术上的一个难题。实际情况是这样的吗？
粒子回旋的周期不随半径、速度改变。让电场方向变化的周期与粒子回旋的周期一致，从而保证粒子始终被加速。
粒子回旋的周期，是粒子运动一周的时间。
电场方向变化的周期，是电场向上，变为向下，再变为向上，是为一个周期。
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 ，与U无关．
当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，此时仍有洛伦兹力提供向心力
由 得 ，
若D 形盒的半径为r，则带电粒子的最终动能：
U越大，每次加速获得的速度越大， r越大，一样大小的回旋加速器盒子，转的圈数变少。
粒子在磁场中做圆周运动,周期不变
粒子在每一个周期加速两次
电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同
电场一个周期中方向变化两次
粒子加速的最大速度由盒的半径决定
电场加速过程中,时间极短,可忽略
回旋加速器的几个常用结论
1.交变电流周期：
2.粒子出去时的速度：
3.离开时的动能：
4.一共加速次数：
5.在磁场运动时间：
6.在电场运动时间：
每换一种粒子都得调整交变电流周期
速度与D型盒半径以及磁感应强度有关，与U无关
动能与D型盒半径以及磁感应强度有关，与U无关
加速次数与D型盒半径、磁感应强度、电压U有关
磁场时间与D型盒半径、磁感应强度、电压U有关
电场时间与缝间距、D型盒半径、磁感应强度、电压U有关
回旋加速器的几个常用结论
课堂小结
1．质谱仪的原理如图所示，由加速电场和偏转磁场组成，虚线AD上方区域存在垂直纸面向外的匀强磁场。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C点，b离子恰好打在D点。离子重力不计。则（ ）
A．两个离子均为负离子
B．a离子质量比b离子质量小
C．a、b离子在磁场中的运动时间相等
D．若增大加速电场的电压U，则两离子在偏转磁场中运动的半径都变大
BD
2．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极和连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列方法中正确的是（ ）
A．增大狭缝间的加速电压
B．减小电场的变化周期
C．减小狭缝间的距离
D．增大D形金属盒的半径
D
质谱仪与回旋加速器
温故知新
速度选择器
Eq=Bqv
磁流体发电
Eq=Bqv
带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期和半径
质谱仪
质谱仪的结构及其作用
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偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
④照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
质谱仪
加速电场
（1）粒子进入磁场时的速率
（2）粒子在磁场中运动的轨道半径
可以看出，q一样，m不同，r不同。根据r可以算出比荷。
质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。
提出问题
如何产生极高能量的粒子
要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进行“观察”。然而，原子核被强大的核力约束，只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才能把它“打开”。如何产生极高能量的粒子？
粒子加速器
粒子加速
还记得必修三中学过的直线加速器吗，他的工作原理是怎样的，它有什么弊端？
设电子进入第 n 个圆筒后的速度为 v，根据动能定理有：
得
第 n 个圆筒的长度为
直线加速器
直线加速器的原理
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。
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？
斯坦福直线加速器中心鸟瞰图
直线加速器
直线加速器的缺陷
仅缝隙之间，有加速电场
垂直于纸面的磁场未画出
回旋加速器
两D形盒中有匀强磁场，盒间缝隙有电场。
电场使粒子加速，磁场使粒子回旋。
如果带电粒子在一次加速后又转回来被第二次加速，如此往复“转圈圈”式地被加速，所用空间不就大大减小吗？
磁场正好能让带电粒子“转圈圈”,人们依据这个思路设计出了，磁场控制轨道、电场进行加速的回旋加速器。
粒子从A1开始到A1‘，在电场中加速到A1‘，从A1‘到A2‘粒子在磁场中圆周运动，只改变速度方向，不改变速度大小。
从A2‘到A2，在电场中加速到A2，但是电场方向必须相反。
从A2到A3，匀速圆周运动。从A1到A3，刚好一圈，视为一个周期。
一圈，一周期内，加速两次，电势差的正负变化两次，这么一圈又一圈。
显然，由于速度变化，r变大，周期T 变了吗？
粒子的运动越来越快，也许粒子走过半圈的时间间隔越来越短，这样两盒间电势差的正负变换就要越来越快，从而造成技术上的一个难题。实际情况是这样的吗？
粒子回旋的周期不随半径、速度改变。让电场方向变化的周期与粒子回旋的周期一致，从而保证粒子始终被加速。
粒子回旋的周期，是粒子运动一周的时间。
电场方向变化的周期，是电场向上，变为向下，再变为向上，是为一个周期。
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 ，与U无关．
当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，此时仍有洛伦兹力提供向心力
由 得 ，
若D 形盒的半径为r，则带电粒子的最终动能：
U越大，每次加速获得的速度越大， r越大，一样大小的回旋加速器盒子，转的圈数变少。
粒子在磁场中做圆周运动,周期不变
粒子在每一个周期加速两次
电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同
电场一个周期中方向变化两次
粒子加速的最大速度由盒的半径决定
电场加速过程中,时间极短,可忽略
回旋加速器的几个常用结论
1.交变电流周期：
2.粒子出去时的速度：
3.离开时的动能：
4.一共加速次数：
5.在磁场运动时间：
6.在电场运动时间：
每换一种粒子都得调整交变电流周期
速度与D型盒半径以及磁感应强度有关，与U无关
动能与D型盒半径以及磁感应强度有关，与U无关
加速次数与D型盒半径、磁感应强度、电压U有关
磁场时间与D型盒半径、磁感应强度、电压U有关
电场时间与缝间距、D型盒半径、磁感应强度、电压U有关
回旋加速器的几个常用结论
课堂小结
1．质谱仪的原理如图所示，由加速电场和偏转磁场组成，虚线AD上方区域存在垂直纸面向外的匀强磁场。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C点，b离子恰好打在D点。离子重力不计。则（ ）
A．两个离子均为负离子
B．a离子质量比b离子质量小
C．a、b离子在磁场中的运动时间相等
D．若增大加速电场的电压U，则两离子在偏转磁场中运动的半径都变大
BD
2．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极和连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列方法中正确的是（ ）
A．增大狭缝间的加速电压
B．减小电场的变化周期
C．减小狭缝间的距离
D．增大D形金属盒的半径
D