物理人教版（2019）选择性必修第二册1.4质谱仪与回旋加速器（共17张ppt）
文档属性
| 名称 | 物理人教版（2019）选择性必修第二册1.4质谱仪与回旋加速器（共17张ppt） |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 455.7KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2024-10-14 07:57:51 | ||
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文档简介
(共17张PPT)
4.质谱仪与回旋加速器
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”。
产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器。
金属圆筒（漂移管）内场强为零，粒子在圆筒内做匀速直线运动，在圆筒间缝隙做加速运动。
直线加速器
如图所示，直线加速器是使粒子在一条直线装置上被加速.
漂移管
加速缝隙
交流电源
电源为交流电源，当粒子在各筒内穿过的时间都为t=T/2时，粒子才有可能每次通过圆筒间缝隙都被加速.
一台直线加速器“麻雀虽小，五脏俱全”，它包含着一般加速器应具备的几个基本要素：
1.利用电场加速带电粒子；
2.通过多级加速获得高能粒子；
3.将加速电场以外的区域静电屏蔽；
4.采用交变电源提供电压；
5.电压交替变化与带电粒子运动应满足同步条件。
能不能建造一种加速器，在较小的空间范围内让粒子经过多次加速获得所需要的能量呢？
1932年美国科学家劳伦斯发明了回旋加速器，巧妙的应用带电粒子在磁场中运动特点解决了这一问题。
直线加速器的缺点：
体积通常较大，占地面积大。
一. 回旋加速器
1.构造:
运动一周加速两次，v、r变大，但周期不变
3.最大动能:
4.加速次数：
2.原理:
(t与q,m无关)
(由B,Rm决定)
如图，D1、D2是半圆金属盒，D形盒处于匀强磁场中，D形盒的缝隙处接交流电源．
电场使粒子加速（加速过程时间极短,忽略不计),磁场使粒子回旋（匀速圆周运动）
问题1:要让粒子持续加速,T交与T圆满足什么关系？
问题2:粒子运动一周，加速几次？v,r,T如何变？
T交=T圆
f交=f圆
n=Ekm/qU
5.运动总时间:
(n与U有关)
美国物理学家 劳伦斯
1932年，美国物理学家劳伦斯正是沿着与上述相仿的巧妙思路，发明了回旋加速器，从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步。为此，劳伦斯获得了1939年的诺贝尔物理学奖。
1.如图甲所示是用来加速带电粒子的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，两盒分别与高频交流电源相连。带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t的变化规律如图乙所示。忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断正确的是( )
A.在Ek－t图像中应有t4－t3B.加速电压越大，粒子最后获得的动能就越大
C.粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大
D.要想粒子获得的最大动能增大，可增加D形盒的面积
D
2. (多选)1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示。这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，所加交变电压极性变化时，电压值不变。下列说法正确的是( )
A.所加交变电压的周期等于带电粒子圆周运动周期的一半
B.利用回旋加速器加速带电粒子，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
C.回旋加速器的加速电压越大，带电粒子获得的最大动能越大
D.粒子每次经过D形盒狭缝时，电场力对粒子做功一样多
BD
3.(多选)用回旋加速器对粒子进行加速，可以获得高能带电粒子，两个D形盒与电压有效值为U的高频交流电源的两极相连(频率可调)，在两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，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，磁感应强度为B，如图所示，粒子由速度为零开始加速，不计粒子在两极板间运动的时间，关于回旋加速器的使用，下列说法正确的是( )
A．两盒间狭缝中交变电场的频率跟带电粒子的比荷成正比
B．不同的带电粒子在同一回旋加速器(频率相同)中运动的总时间相同
C．带电粒子在磁场中运动时，受到的洛伦兹力不做功，因此带电粒子从D形盒射出时的动能与磁场的强弱无关
D．尽管两盒间狭缝中电场对带电粒子起加速作用，但是带电粒子从D形盒射出时的动能与加速电压的大小无关
ABD
4.回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属盒，两盒分别和一高频交流电源两极相连，以便在盒间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝都得到加速，两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rm，其运动轨迹如图所示:
(1)盒中有无电场？
(2)粒子在盒内做何种运动？
(3)所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？
(4)粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多少？
(5)设两D形盒间电场的电势差为U，求加速到上述能量所需的时间．(不计粒子在电场中运动的时间)
二.质谱仪：
测定粒子荷质比的仪器
在磁场中的圆周半径r
洛伦兹力的应用
加速电场
偏转磁场
结构图：
应用：可以测定带电粒子的质量和分析同位素。
1. 如图，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U加速后在纸面内水平向右运动，自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直。已知甲种离子射入磁场的速度大小为v1，并在磁场边界的N点射出；乙种离子在MN的中点射出，MN长为l。不计重力影响和离子间的相互作用。求
(1)磁场的磁感应强度大小；
(2)甲、乙两种离子的比荷之比。
2.(质谱仪)质谱仪测定带电粒子质量的装置示意图如图所示。速度选择器(也称滤速器)中电场强度E的方向竖直向下，磁感应强度B1的方向垂直于纸面向里，分离器中磁感应强度B2的方向垂直于纸面向外。在S处有甲、乙、丙、丁四个一价正离子垂直于E和B1射入速度选择器中，若m甲＝m乙A.甲、乙、丙、丁
B.甲、丁、乙、丙
C.丙、丁、乙、甲
D.甲、乙、丁、丙
B
3.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
5.如图所示，两平行金属板间距为d，电势差为U，板间电场可视为匀强电场；金属板下方有一磁感应强度为B的匀强磁场。带电量为＋q、质量为m的粒子，由静止开始从正极板出发，经电场加速后射出，并进入磁场做匀速圆周运动。忽略重力的影响，求：
(1)粒子进入磁场时的速度；
(2)粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径R；
(3)从开始运动到打在极板上所用的时间。
6.如图为质谱仪的示意图．速度选择部分的匀强电场场强E＝1.2×105 V/m，匀强磁场的磁感应强度为B1＝0.6 T．偏转分离器的磁感应强度为B2＝0.8 T．求：
(1)能通过速度选择器的粒子速度有多大？
(2)质子和氘核进入偏转分离器后打在底片上的条纹之间的距离d为多少？(质子的荷质比e/m=108C/kg,氘核荷质比为q/m=0.5×108C/kg)
4.质谱仪与回旋加速器
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”。
产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器。
金属圆筒（漂移管）内场强为零，粒子在圆筒内做匀速直线运动，在圆筒间缝隙做加速运动。
直线加速器
如图所示，直线加速器是使粒子在一条直线装置上被加速.
漂移管
加速缝隙
交流电源
电源为交流电源，当粒子在各筒内穿过的时间都为t=T/2时，粒子才有可能每次通过圆筒间缝隙都被加速.
一台直线加速器“麻雀虽小，五脏俱全”，它包含着一般加速器应具备的几个基本要素：
1.利用电场加速带电粒子；
2.通过多级加速获得高能粒子；
3.将加速电场以外的区域静电屏蔽；
4.采用交变电源提供电压；
5.电压交替变化与带电粒子运动应满足同步条件。
能不能建造一种加速器，在较小的空间范围内让粒子经过多次加速获得所需要的能量呢？
1932年美国科学家劳伦斯发明了回旋加速器，巧妙的应用带电粒子在磁场中运动特点解决了这一问题。
直线加速器的缺点：
体积通常较大，占地面积大。
一. 回旋加速器
1.构造:
运动一周加速两次，v、r变大，但周期不变
3.最大动能:
4.加速次数：
2.原理:
(t与q,m无关)
(由B,Rm决定)
如图，D1、D2是半圆金属盒，D形盒处于匀强磁场中，D形盒的缝隙处接交流电源．
电场使粒子加速（加速过程时间极短,忽略不计),磁场使粒子回旋（匀速圆周运动）
问题1:要让粒子持续加速,T交与T圆满足什么关系？
问题2:粒子运动一周，加速几次？v,r,T如何变？
T交=T圆
f交=f圆
n=Ekm/qU
5.运动总时间:
(n与U有关)
美国物理学家 劳伦斯
1932年，美国物理学家劳伦斯正是沿着与上述相仿的巧妙思路，发明了回旋加速器，从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步。为此，劳伦斯获得了1939年的诺贝尔物理学奖。
1.如图甲所示是用来加速带电粒子的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，两盒分别与高频交流电源相连。带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t的变化规律如图乙所示。忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断正确的是( )
A.在Ek－t图像中应有t4－t3
C.粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大
D.要想粒子获得的最大动能增大，可增加D形盒的面积
D
2. (多选)1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示。这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，所加交变电压极性变化时，电压值不变。下列说法正确的是( )
A.所加交变电压的周期等于带电粒子圆周运动周期的一半
B.利用回旋加速器加速带电粒子，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
C.回旋加速器的加速电压越大，带电粒子获得的最大动能越大
D.粒子每次经过D形盒狭缝时，电场力对粒子做功一样多
BD
3.(多选)用回旋加速器对粒子进行加速，可以获得高能带电粒子，两个D形盒与电压有效值为U的高频交流电源的两极相连(频率可调)，在两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，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，磁感应强度为B，如图所示，粒子由速度为零开始加速，不计粒子在两极板间运动的时间，关于回旋加速器的使用，下列说法正确的是( )
A．两盒间狭缝中交变电场的频率跟带电粒子的比荷成正比
B．不同的带电粒子在同一回旋加速器(频率相同)中运动的总时间相同
C．带电粒子在磁场中运动时，受到的洛伦兹力不做功，因此带电粒子从D形盒射出时的动能与磁场的强弱无关
D．尽管两盒间狭缝中电场对带电粒子起加速作用，但是带电粒子从D形盒射出时的动能与加速电压的大小无关
ABD
4.回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属盒，两盒分别和一高频交流电源两极相连，以便在盒间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝都得到加速，两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rm，其运动轨迹如图所示:
(1)盒中有无电场？
(2)粒子在盒内做何种运动？
(3)所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？
(4)粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多少？
(5)设两D形盒间电场的电势差为U，求加速到上述能量所需的时间．(不计粒子在电场中运动的时间)
二.质谱仪：
测定粒子荷质比的仪器
在磁场中的圆周半径r
洛伦兹力的应用
加速电场
偏转磁场
结构图：
应用：可以测定带电粒子的质量和分析同位素。
1. 如图，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U加速后在纸面内水平向右运动，自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直。已知甲种离子射入磁场的速度大小为v1，并在磁场边界的N点射出；乙种离子在MN的中点射出，MN长为l。不计重力影响和离子间的相互作用。求
(1)磁场的磁感应强度大小；
(2)甲、乙两种离子的比荷之比。
2.(质谱仪)质谱仪测定带电粒子质量的装置示意图如图所示。速度选择器(也称滤速器)中电场强度E的方向竖直向下，磁感应强度B1的方向垂直于纸面向里，分离器中磁感应强度B2的方向垂直于纸面向外。在S处有甲、乙、丙、丁四个一价正离子垂直于E和B1射入速度选择器中，若m甲＝m乙
B.甲、丁、乙、丙
C.丙、丁、乙、甲
D.甲、乙、丁、丙
B
3.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
5.如图所示，两平行金属板间距为d，电势差为U，板间电场可视为匀强电场；金属板下方有一磁感应强度为B的匀强磁场。带电量为＋q、质量为m的粒子，由静止开始从正极板出发，经电场加速后射出，并进入磁场做匀速圆周运动。忽略重力的影响，求：
(1)粒子进入磁场时的速度；
(2)粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径R；
(3)从开始运动到打在极板上所用的时间。
6.如图为质谱仪的示意图．速度选择部分的匀强电场场强E＝1.2×105 V/m，匀强磁场的磁感应强度为B1＝0.6 T．偏转分离器的磁感应强度为B2＝0.8 T．求：
(1)能通过速度选择器的粒子速度有多大？
(2)质子和氘核进入偏转分离器后打在底片上的条纹之间的距离d为多少？(质子的荷质比e/m=108C/kg,氘核荷质比为q/m=0.5×108C/kg)