1.4 洛伦兹力与现代技术 第二课时 课件(共31张PPT)

(共31张PPT)
第一章 磁场
粤教版 选择性必修一
第四节 洛伦兹力与现代技术
由：
得：
再由：
微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？
知识回顾
新课导入
在粒子物理学的研究中，经常需要高能粒子做为“炮弹”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？
U
0
u0
-u0
t
T
2T
t
U
~
＋
－
多级直线加速器
由动能定理得带电粒子经n级的电场加速后增加的动能为：
有的长达几十千米，坐落在两个城市之间……
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？
Part 01
回旋加速器
一、回旋加速器
1932年劳伦斯研制世界第一台回旋加速器的D型室.
一、回旋加速器
讨论1：
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形盒缝隙的电场方向应该是恒定的还是变化的呢？
交变电压
一、回旋加速器
讨论2：
这个电场变化的周期是恒定的吗？
你分析的依据是什么呢？
①带电粒子在D形盒中运行的周期：
②每过 电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。
③电场的变化周期要等于粒子的运动周期：
一、回旋加速器
讨论3：
在我们讨论带电粒子的回旋时间时，忽略了粒子在缝间的加速时间，为什么可以做这种忽略呢？
讨论4：
回旋加速器加速不同比荷的带电粒子，是否需要调整变化电场的周期
一、回旋加速器
讨论5：
某种带电粒子在回旋加速器中被不停的持续加速后，带电粒子的能量能无限增大吗？
这个最大能量跟加速电压有关吗？
粒子最大动能：
对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关。
（离开半径与D形盒半径相同）
一、回旋加速器
1. 变化电场
2.条件：
3. 粒子能量：
一、回旋加速器
回旋加速器的特点
1．速度和周期的特点：在回旋加速器中粒子的速度逐渐增大，但粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期T＝始终不变。
2．最大半径及最大速度：粒子的最大半径等于D形盒的半径R＝，所以最大速度vm＝。
3．最大动能及决定因素：最大动能Ekm＝＝，即粒子所能达到的最大动能由磁场B、D形盒的半径R、粒子的质量m及带电量q共同决定，与加速电场的电压无关。
一、回旋加速器
回旋加速器的特点
4．粒子被加速次数的计算：粒子在回旋加速器盒中被加速的次数n＝(U是加速电压大小)，一个周期加速两次。设在电场中加速的时间为t1，缝的宽度为d，则nd＝，t1＝。
5．粒子在回旋加速器中运动的时间：在磁场中运动的时间t2＝T＝，总时间为t＝t1＋t2，因为t1 t2，一般认为在盒内的时间近似等于t2。
质子回旋加速器
2014年，我国成功研发出世界上第一台100MeV质子回旋加速器，它在国防核科学研究、放射性核素物理研究、肿瘤治疗等领域具有广阔的应用前景。
超导回旋加速器
这是我国最近自主研发成功的超导回旋加速器，质子束能量首次达到231MeV。用于恶性肿瘤、心脑血管等重大疾病的诊断和治疗。
美国费米实验室
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500GeV。
1、(2022·河南宜阳第一高级中学高二期中)回旋加速器是用来加速带电粒子的装置，如图所示。它的核心部分是两个D形金属盒，两盒相距很近，分别和高频交流电源相连接，两盒间的窄缝中形成匀强电场，使带电粒子每次通过窄缝都得到加速。两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，带电粒子在磁场中做圆周运动，通过两盒间的窄缝时反复被加速，直到达
到最大圆周半径时通过特殊装置被引出。如果用同一回旋加速器
分别加速质子H)和α粒子He)，α粒子的质量是质子的四倍，
电荷量是质子的两倍，则(　　)
A．加速质子的交流电源的周期较小，质子获得的最大动能也较小
B．加速质子的交流电源的周期较小，两种粒子获得的最大动能一样大
C．加速质子的交流电源的周期较小，质子获得的最大动能也较大
D．加速质子的交流电源的周期较大，质子获得的最大动能较小
B
课堂练习
2、如图所示，两个处于同一匀强磁场中的相同的回旋加速器，分别接在加速电压为U1和U2的高频交流电源上，且U1>U2，两个相同的带电粒子分别从这两个加速器的中心由静止开始运动，设两个粒子在加速器中运动的时间分别为t1和t2(在盒缝间加速时间忽略不计)，获得的最大动能分别为Ek1和Ek2，则(　　)
A．t1Ek2
B．t1＝t2，Ek1C．t1D．t1>t2，Ek1＝Ek2
C
课堂练习
Part 02
质谱仪
新课导入
在科学研究和工业生产中，常常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。
如何分离电荷量相同、质量不同（不同比荷）的带电粒子？
分开比荷不同的带电粒子的方案
猜想一：
先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示：
U0
L
y
U d
m , q
（1）先加速
（2）再偏转（类平抛运动）
由：
得：
纵向：
横向：
得：
由粒子的轨迹方程可知，粒子的轨迹与粒子的性质无关，无法分开比荷不同的粒子。
分开比荷不同的带电粒子的方案
猜想二：
先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强磁场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示：
（1）先加速
（2）再偏转(匀速圆周运动）
由：
得：
得：
由粒子的轨道半径表达式可知，比荷不同的带电粒子的半径不同，这种方法可以分开比荷不同的粒子。
U0
B
m , q
二、质谱仪
比荷不同的带电粒子在磁场中做圆周运动的半径不同
二、质谱仪
-0
功能一：使带电粒子获得一定的速度
功能二：让粒子通过一个速度选择器，只留下特定速度
的粒子，排除其他速度粒子的干扰
功能三：让带电粒子进入磁场发生偏转，记录
粒子的运动轨迹，进而求得粒子的比荷
So
二、质谱仪
功能一：使带电粒子获得一定的速度
功能二：让粒子通过一个速度选择器，只留下特定速度
的粒子，排除其他速度粒子的干扰
功能三：让带电粒子进入磁场发生偏转，记录
粒子的运动轨迹，进而求得粒子的比荷
带电粒子的比荷与偏转距离x的平方成反比，凡是比荷不相等的粒子都被分开，并按比荷顺序的大小排列
(多选)如图是质谱仪的工作原理示意图，带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器．速度选择器内有相互正交的匀强磁场和匀强电场，匀强磁场的磁感应强度为B，匀强电场的场强为E.平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2.平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场．下列表述正确的是(　　 )
A．质谱仪是分析同位素的重要工具
B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向内
C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B
D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小
AC
qE＝qvB
课堂练习
二. 质谱仪
由：
得：
课堂小结
一. 回旋加速器
1.条件：
2.粒子能量：
1、参考回旋加速器原理图，回答下列问题
（1）在回旋加速器中，带电粒子是从D形盒磁场中获得能量还是从两个D形盒空隙间的电场中获得能量？
（2）带电粒子再次进入D形盒的匀强磁场中做匀速圆周运动时，其速率变大，它的运动周期将随之变化吗？即带电粒子前后两次进入电场区的时间间隔会随之变化吗？
（3）为了使带电粒子每次经过两个D形盒的间隙时恰能受到电场力作用而被加速，高频电源的频率应符合什么要求？
课堂练习
解：（1）带电粒子是从D形盒间隙间的电场中获得能量的
（2）粒子在磁场中运动的周期与速度无关
带电粒子两次进入电场区的时间间隔也不会改变
（3）高频电源的变换频率与带电粒子的运动频率相等
1、参考回旋加速器原理图，回答下列问题
2、利用质谱仪测量氢元素的同位素，如图所示，让氢元素的三种同位素氕、氘、氚的离子流从容器A下方的小孔无初速度飘入电势差为U的加速电场加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条质谱线。
（1）在进入磁场时，氢元素的哪种同位素的动能比较大？为什么？
（2）氢元素的哪种同位素在磁场中运动的时间比较长？为什么？
（3）a、b、c三条质谱线分别对应氢元素的哪一种同位素？
课堂练习
-0
（1）三种同位素经过加速电场获得的动能相等
（2）相等电量，质量比较大的氚在磁场中
运动时间比较长
（3）a对应氚，b对应氘，c对应氕