3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动——应用：质谱仪和回旋加速器（共24张PPT）
文档属性
| 名称 | 3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动——应用：质谱仪和回旋加速器（共24张PPT） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 737.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-01-23 21:37:25 | ||
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文档简介
(共24张PPT)
3.6应用：
质谱仪和回旋加速器
复习：
1、带电粒子的磁场中匀速圆周运动的产生条件：
粒子垂直进入匀强磁场
粒子只受洛伦兹力
2、规律：
洛伦兹力充当向心力
3、重要结论：
三、质谱仪和回旋加速器
1．质谱仪
(1)原理图：
3.6带电粒子在电场中运动（二）
粒子源
试判定工作原理
推导：粒子轨道半径与哪些因素有关？
如果测出半径，可以判定粒子的哪些物理量？
qU
qvB
研究质谱仪原理：
（4）粒子在磁场中轨道半径：
研究质谱仪原理：
同位素
粒子源发出粒子初速度略有不同，可以增加速度选择器
粒子源
选择速度：
例题：A粒子源可以无初速度
释放某元素的三种同位素原子核，
经过相同电压U加速后，垂直进入
偏转磁场，并垂直打在感光片上 。
若测出三种粒子偏转半径之比约为
1.00:1.41:1.73
则：三种粒子的比荷之比为：______________
6:3:2
如图所示是测量带电粒子质量的仪器的工作原理示意图．设法将某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器A中，使它受到电子束轰击，失去一个电子变成正一价的分子离子．分子离子从狭缝S1以很小的速度进入电压为U的加速电场区(初速不计)，加速后，再通过狭缝S2、S3射入磁感应强度为B的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQ.
最后，分子离子打到感光片上，形成垂直
于纸面而且平行于狭缝S3的细线．若测得
细线到狭缝S3的距离为d，导出分子离子
的质量m的表达式．
【思路点拨】 粒子先在电场中做加速运动，粒子再在磁场中做圆周运动，经半个周期打到感光片上．
电场中直线型加速器——多级加速
F
怎样多级加速呢？
电源
回旋加速器
2．回旋加速器
(1)构造图：如图
回旋加速器的核心部件是:
两个______________________.
D形盒(半圆金属盒）
R0
粒子m、q
金属盒的作用？
带电粒子自电场、磁场中各做什么运动？
怎样能连续地在D形盒狭缝中加速？
(2)原理：
1)粒子第一次经加速电场加速后进入磁场，
转_______后，再进入___________之间的加速电场
此时电场方向已经与第一次加速时______,粒子进行
第二次加速，而后重复上述运动 。
2)粒子每在磁场中转____，就在电场中________，直到轨道半径 达到____________为止，粒子被加速到最大速度
半周
加速一次
D形盒半径
半周
D形盒狭缝
反向
3）加速电场是_________变化的，
必须由_________________电源提供。
周期性变化的交流
周期性
(3)周期问题
粒子圆周运动周期___________，速度增大但是周期_________
加速电场的周期与粒子的运动周期必须________，
才能实现同步加速，交流电压的频率f=1/T
则__________________________________
不变
相同
T粒子=T交流 f粒子=f交流
(4)最大动能（速度）问题
当粒子轨道半径最大，即________时，
粒子加速后的动能最大Ek=___________
r=R0
例题：用回旋加速器来加速质子，为了使质子获得的动能增加为原来的4倍，原则上可以采用下列哪几种方法( )
A．将其磁感应强度增大为原来的2倍
B．将其磁感应强度增大为原来的4倍
C．将D形盒的半径增大为原来的2倍
D．将D形盒的半径增大为原来的4倍
答案： AC
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，问：
(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)
变式训练2 如图3－5－12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？
图3－5－12
答案：(1)2×105 m/s
(2)5.2×10－3 m
答案：(1)2×105 m/s (2)5.2×10－3 m
【规律总结】 求解此题应注意以下两点：
(1)交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相同回旋加速器才能正常工作．
(2)根据匀速圆周运动知识求出粒子最大速度的表达式，再据此判断它与何物理量有关．
例：如图所示是质谱仪的示意图。已知速度选择器中的磁场B1=0.40T，电场E=1.00×105N/C；偏转分离器中的匀强磁场B2=0.50T。现有带一个基元电荷电量的两种铜离子，在感光底片上得到两个感光点A1、A2，测得SA1=0.658m，SA2=0.679m。求两种铜离子的质量数。（已知e=1.60×10-19C，mp=1.67×10-27kg）
3.6应用：
质谱仪和回旋加速器
复习：
1、带电粒子的磁场中匀速圆周运动的产生条件：
粒子垂直进入匀强磁场
粒子只受洛伦兹力
2、规律：
洛伦兹力充当向心力
3、重要结论：
三、质谱仪和回旋加速器
1．质谱仪
(1)原理图：
3.6带电粒子在电场中运动（二）
粒子源
试判定工作原理
推导：粒子轨道半径与哪些因素有关？
如果测出半径，可以判定粒子的哪些物理量？
qU
qvB
研究质谱仪原理：
（4）粒子在磁场中轨道半径：
研究质谱仪原理：
同位素
粒子源发出粒子初速度略有不同，可以增加速度选择器
粒子源
选择速度：
例题：A粒子源可以无初速度
释放某元素的三种同位素原子核，
经过相同电压U加速后，垂直进入
偏转磁场，并垂直打在感光片上 。
若测出三种粒子偏转半径之比约为
1.00:1.41:1.73
则：三种粒子的比荷之比为：______________
6:3:2
如图所示是测量带电粒子质量的仪器的工作原理示意图．设法将某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器A中，使它受到电子束轰击，失去一个电子变成正一价的分子离子．分子离子从狭缝S1以很小的速度进入电压为U的加速电场区(初速不计)，加速后，再通过狭缝S2、S3射入磁感应强度为B的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQ.
最后，分子离子打到感光片上，形成垂直
于纸面而且平行于狭缝S3的细线．若测得
细线到狭缝S3的距离为d，导出分子离子
的质量m的表达式．
【思路点拨】 粒子先在电场中做加速运动，粒子再在磁场中做圆周运动，经半个周期打到感光片上．
电场中直线型加速器——多级加速
F
怎样多级加速呢？
电源
回旋加速器
2．回旋加速器
(1)构造图：如图
回旋加速器的核心部件是:
两个______________________.
D形盒(半圆金属盒）
R0
粒子m、q
金属盒的作用？
带电粒子自电场、磁场中各做什么运动？
怎样能连续地在D形盒狭缝中加速？
(2)原理：
1)粒子第一次经加速电场加速后进入磁场，
转_______后，再进入___________之间的加速电场
此时电场方向已经与第一次加速时______,粒子进行
第二次加速，而后重复上述运动 。
2)粒子每在磁场中转____，就在电场中________，直到轨道半径 达到____________为止，粒子被加速到最大速度
半周
加速一次
D形盒半径
半周
D形盒狭缝
反向
3）加速电场是_________变化的，
必须由_________________电源提供。
周期性变化的交流
周期性
(3)周期问题
粒子圆周运动周期___________，速度增大但是周期_________
加速电场的周期与粒子的运动周期必须________，
才能实现同步加速，交流电压的频率f=1/T
则__________________________________
不变
相同
T粒子=T交流 f粒子=f交流
(4)最大动能（速度）问题
当粒子轨道半径最大，即________时，
粒子加速后的动能最大Ek=___________
r=R0
例题：用回旋加速器来加速质子，为了使质子获得的动能增加为原来的4倍，原则上可以采用下列哪几种方法( )
A．将其磁感应强度增大为原来的2倍
B．将其磁感应强度增大为原来的4倍
C．将D形盒的半径增大为原来的2倍
D．将D形盒的半径增大为原来的4倍
答案： AC
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，问：
(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)
变式训练2 如图3－5－12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？
图3－5－12
答案：(1)2×105 m/s
(2)5.2×10－3 m
答案：(1)2×105 m/s (2)5.2×10－3 m
【规律总结】 求解此题应注意以下两点：
(1)交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相同回旋加速器才能正常工作．
(2)根据匀速圆周运动知识求出粒子最大速度的表达式，再据此判断它与何物理量有关．
例：如图所示是质谱仪的示意图。已知速度选择器中的磁场B1=0.40T，电场E=1.00×105N/C；偏转分离器中的匀强磁场B2=0.50T。现有带一个基元电荷电量的两种铜离子，在感光底片上得到两个感光点A1、A2，测得SA1=0.658m，SA2=0.679m。求两种铜离子的质量数。（已知e=1.60×10-19C，mp=1.67×10-27kg）