人教版高中物理选择性必修第二册第1章第4节质谱仪与回旋加速器课件（29页ppt）
文档属性
| 名称 | 人教版高中物理选择性必修第二册第1章第4节质谱仪与回旋加速器课件（29页ppt） |
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| 格式 | ppt | ||
| 文件大小 | 4.6MB | ||
| 资源类型 | 试卷 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2026-03-26 00:00:00 | ||
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文档简介
(共29张PPT)
第一章 安培力与洛伦兹力
4.质谱仪与回旋加速器
新课引入
在科学研究和工业生产中，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。利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗
自主预习
质谱仪
一
一束质量、速度和电荷量不同的正离子(不计重力)垂直地射入匀强磁场和匀强电场正交的区域。结果发现有些离子保持原来的运动方向未发生偏转，有的向上或向下偏转，如图所示。
(1)未发生偏转的离子的速度有什么特点？
相等。
(2)未发生偏转的这些离子进入右侧的匀强磁场中，
发现这些离子又分裂成几束，这些离子的比荷是否相同？
不相同。
智能提升
一
质谱仪
理论探究
一
质谱仪
理论探究
一
质谱仪
探究归纳
一
质谱仪
【例1】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最大？为什么？
(2)氢元素的哪种同位素在磁场中运动的时间最长？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？
针对练1.(多选)(2024·湖北黄冈高二期末)如图是质谱仪的工作原理示意图。无初速度的带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场的磁感应强度和匀强电场的电场强度分别为B和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。关于质量为m、电荷量为q的粒子，下列表述正确的是( )
C.粒子打在胶片上的位置离狭缝P越远，表明其比荷越大
D.粒子打在胶片上的位置离狭缝P越远，表明其比荷越小
v
v
自主预习
二
回旋加速器
回旋加速器两个D形盒之间有窄缝，中心附近放置粒子源(如质子、氘核或α粒子源)，D形盒间施加方向可调的电场。D形盒区域有垂直盒底面的匀强磁场(如图甲、乙所示)。
(1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？
磁场的作用是使带电粒子回旋，
电场的作用是使带电粒子加速。
(2)粒子通过狭缝时方向周期性变化，对方向
可调的电场有什么要求？
场方向周期性变化，使静电力方向总与粒子通过狭缝时的速度方向相同。
智能提升
二
回旋加速器
1.构造：如图所示，两个中空的半圆金属盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，两金属盒间接交流电源。
2.原理：粒子源产生的带电粒子在两盒之间被电场加速，
在磁场中做匀速圆周运动，经过半个圆周之后，当粒子
再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒间的电势差，
使其恰好改变正负，于是粒子再一次被加速。如此，
粒子一次次被加速使速度增加到很大。
3.条件：高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期相同。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，但粒子做匀速圆周运动的周期不变。
理论探究
二
回旋加速器
探究归纳
二
回旋加速器
【例2】回旋加速器是用来加速带电粒子使之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接，以便在盒内的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝时都能被加速，加速电压大小始终为U，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(不计重力)电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rmax。求：
(1)所加交流电源的频率。
(2)粒子离开加速器时的最大动能。
【例2】回旋加速器是用来加速带电粒子使之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接，以便在盒内的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝时都能被加速，加速电压大小始终为U，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(不计重力)电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rmax。求：
(3)粒子被加速的次数。
(4)若带电粒子在电场中加速的加速度大小恒为a，粒子在电场中加速的总时间。
针对练1. (2023·广东高考)某小型医用回旋加速器，最大回旋半径为0.5 m，磁感应强度大小为1.12 T，质子加速后获得的最大动能为1.5×107 eV。根据给出的数据，可计算质子经该回旋加速器加速后的最大速率约为(忽略相对论效应，
1 eV＝1.6×10－19 J)( )
A.3.6×106 m/s B.1.2×107 m/s
C.5.4×107 m/s D.2.4×108 m/s
针对练2.如图为一种改进后的回旋加速器示意图，其中盒缝间的加速电场场强大小恒定，且被限制在A、C两板间，虚线中间不需加电场，如图所示，带电粒子从P0处以速度v0沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，对这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是( )
A.带电粒子每运动一周被加速两次
B.P1P2＝P3P4
C.加速粒子的最大速度与D形盒的尺寸有关
D.加速电场方向需要做周期性的变化
探究归纳
三
带电粒子在交变电磁场中的运动
(2)粒子偏离x轴的最大距离。
(3)粒子运动至A点的时间。
(2)粒子偏离x轴的最大距离。
(3)粒子运动至A点的时间。
针对练.如图甲所示，宽度为d的竖直狭长区域内(边界为L1、L2)，存在垂直纸面向里的匀强磁场和竖直方向上的周期性变化的电场(如图乙所示)，电场强度的大小为E0，E＞0表示电场方向竖直向上。t＝0时，一带正电荷、质量为m的微粒从左边界上的N1点以水平速度v射入该区域，沿直线运动到Q点后，做一次完整的圆周运动，再沿直线运动到右边界上的N2点。Q为线段N1N2的中点，重力加速度为g。上述d、E0、m、v、g为已知量。
(1)求微粒所带电荷量q和磁感应强度B的大小。
(2)求电场变化的周期T。
(3)改变宽度d，使微粒仍能按上述运动过程通过相应宽度的区域，求T的最小值。
(3)改变宽度d，使微粒仍能按上述运动过程通过相应宽度的区域，求T的最小值。
课堂回眸
质谱仪与回旋加速器
怎样理解质谱仪的构造、原理及特点
怎样理解回旋加速器的构造、原理及特点
怎样处理带电粒子在交变电磁场中的运动问题
第一章 安培力与洛伦兹力
4.质谱仪与回旋加速器
新课引入
在科学研究和工业生产中，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。利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗
自主预习
质谱仪
一
一束质量、速度和电荷量不同的正离子(不计重力)垂直地射入匀强磁场和匀强电场正交的区域。结果发现有些离子保持原来的运动方向未发生偏转，有的向上或向下偏转，如图所示。
(1)未发生偏转的离子的速度有什么特点？
相等。
(2)未发生偏转的这些离子进入右侧的匀强磁场中，
发现这些离子又分裂成几束，这些离子的比荷是否相同？
不相同。
智能提升
一
质谱仪
理论探究
一
质谱仪
理论探究
一
质谱仪
探究归纳
一
质谱仪
【例1】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最大？为什么？
(2)氢元素的哪种同位素在磁场中运动的时间最长？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？
针对练1.(多选)(2024·湖北黄冈高二期末)如图是质谱仪的工作原理示意图。无初速度的带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场的磁感应强度和匀强电场的电场强度分别为B和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。关于质量为m、电荷量为q的粒子，下列表述正确的是( )
C.粒子打在胶片上的位置离狭缝P越远，表明其比荷越大
D.粒子打在胶片上的位置离狭缝P越远，表明其比荷越小
v
v
自主预习
二
回旋加速器
回旋加速器两个D形盒之间有窄缝，中心附近放置粒子源(如质子、氘核或α粒子源)，D形盒间施加方向可调的电场。D形盒区域有垂直盒底面的匀强磁场(如图甲、乙所示)。
(1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？
磁场的作用是使带电粒子回旋，
电场的作用是使带电粒子加速。
(2)粒子通过狭缝时方向周期性变化，对方向
可调的电场有什么要求？
场方向周期性变化，使静电力方向总与粒子通过狭缝时的速度方向相同。
智能提升
二
回旋加速器
1.构造：如图所示，两个中空的半圆金属盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，两金属盒间接交流电源。
2.原理：粒子源产生的带电粒子在两盒之间被电场加速，
在磁场中做匀速圆周运动，经过半个圆周之后，当粒子
再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒间的电势差，
使其恰好改变正负，于是粒子再一次被加速。如此，
粒子一次次被加速使速度增加到很大。
3.条件：高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期相同。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，但粒子做匀速圆周运动的周期不变。
理论探究
二
回旋加速器
探究归纳
二
回旋加速器
【例2】回旋加速器是用来加速带电粒子使之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接，以便在盒内的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝时都能被加速，加速电压大小始终为U，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(不计重力)电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rmax。求：
(1)所加交流电源的频率。
(2)粒子离开加速器时的最大动能。
【例2】回旋加速器是用来加速带电粒子使之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接，以便在盒内的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝时都能被加速，加速电压大小始终为U，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(不计重力)电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rmax。求：
(3)粒子被加速的次数。
(4)若带电粒子在电场中加速的加速度大小恒为a，粒子在电场中加速的总时间。
针对练1. (2023·广东高考)某小型医用回旋加速器，最大回旋半径为0.5 m，磁感应强度大小为1.12 T，质子加速后获得的最大动能为1.5×107 eV。根据给出的数据，可计算质子经该回旋加速器加速后的最大速率约为(忽略相对论效应，
1 eV＝1.6×10－19 J)( )
A.3.6×106 m/s B.1.2×107 m/s
C.5.4×107 m/s D.2.4×108 m/s
针对练2.如图为一种改进后的回旋加速器示意图，其中盒缝间的加速电场场强大小恒定，且被限制在A、C两板间，虚线中间不需加电场，如图所示，带电粒子从P0处以速度v0沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，对这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是( )
A.带电粒子每运动一周被加速两次
B.P1P2＝P3P4
C.加速粒子的最大速度与D形盒的尺寸有关
D.加速电场方向需要做周期性的变化
探究归纳
三
带电粒子在交变电磁场中的运动
(2)粒子偏离x轴的最大距离。
(3)粒子运动至A点的时间。
(2)粒子偏离x轴的最大距离。
(3)粒子运动至A点的时间。
针对练.如图甲所示，宽度为d的竖直狭长区域内(边界为L1、L2)，存在垂直纸面向里的匀强磁场和竖直方向上的周期性变化的电场(如图乙所示)，电场强度的大小为E0，E＞0表示电场方向竖直向上。t＝0时，一带正电荷、质量为m的微粒从左边界上的N1点以水平速度v射入该区域，沿直线运动到Q点后，做一次完整的圆周运动，再沿直线运动到右边界上的N2点。Q为线段N1N2的中点，重力加速度为g。上述d、E0、m、v、g为已知量。
(1)求微粒所带电荷量q和磁感应强度B的大小。
(2)求电场变化的周期T。
(3)改变宽度d，使微粒仍能按上述运动过程通过相应宽度的区域，求T的最小值。
(3)改变宽度d，使微粒仍能按上述运动过程通过相应宽度的区域，求T的最小值。
课堂回眸
质谱仪与回旋加速器
怎样理解质谱仪的构造、原理及特点
怎样理解回旋加速器的构造、原理及特点
怎样处理带电粒子在交变电磁场中的运动问题