在科學研究和工業(yè)生產(chǎn)中，常需要將一束帶等量電荷的粒子分開，以便知道其中所含物質(zhì)的成分。利用所學的知識，你能設(shè)計一個方案，以便分開電荷量相同、質(zhì)量不同的帶電粒子嗎?
質(zhì)譜儀是用來分離同位素、檢測它們的相對原子質(zhì)量和相對豐度的儀器。
我們知道，電場可以對帶電粒子施加作用力，磁場也可以對運動的帶電粒子施加作用力。
問題情景： 一束質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子，從容器下方的小孔S1飄入電勢差為U的加速電場，其初速度幾乎為零，然后經(jīng)過S3沿著與磁場垂直的方向進入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，最后打到照相底片D上。（1）求粒子進入磁場時的速率。（2）求粒子在磁場中運動的軌道半徑。 （3）粒子的比荷
②在偏轉(zhuǎn)磁場中，洛倫茲力提供向心力
③在偏轉(zhuǎn)磁場中，偏轉(zhuǎn)的距離為x
④由上式可得粒子的質(zhì)量和比荷
⑤由上式可知同位素電荷量相同，但質(zhì)量有微小差別。那x就會不同，也就是說在照相底片上會打到不同的位置，從而在底片上出現(xiàn)一系列的分立的亮線，這就稱為質(zhì)譜線或譜線。
例1：同一種帶電粒子以不同的速度垂直磁場便捷、垂直磁感線射入勻強磁場中，其運動軌跡如圖所示，則可知：（1）帶電粒子進入磁場的速度值有幾個？（2）這些速度的大小關(guān)系為？（3）三束粒子從O點出發(fā)分別到達1、2、3點所用時間的大小關(guān)系是？
要認識原子核內(nèi)部的情況，必須把核“打開”進行“觀察”。然而，原子核被強大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為“炮彈”去轟擊，才能把它“打開”。產(chǎn)生高能“炮彈”的“工廠”就是各種各樣的粒子加速器。
問題1：用什么方法可以加速帶電粒子?
加速原理：利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電粒子的動能增加，qU = ΔEk。
各加速區(qū)的兩板之間用獨立電源供電，所以粒子從P2飛向P3，從P4飛向P5、、、、、時不會減速。
直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。
1966年建成得的斯坦福大學的加速器管長3050米
北京正負電子對撞機改造后的直線加速器為建設(shè)科技強國加速
人們進一步思考:如果帶電粒子在一次加速后又轉(zhuǎn)回來被第二次加速，如此往復“轉(zhuǎn)圈圈”式地被加速，加速器裝置所占的空間不是會大大縮小嗎？而磁場正好能使帶電?！稗D(zhuǎn)圈圈”！于是，人們依據(jù)這個思路設(shè)計出了用磁場控制軌道、用電場進行加速的回旋加速器。
1932年,美國物理學家勞侖斯發(fā)明了回旋加速器，從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進了一大步．為此，勞侖斯榮獲了諾貝爾物理學獎．
b、在磁場中做半個周期的勻速圓周運動
思考與討論：怎么控制電場的變化呢？
周期 ，與速度無關(guān)，故周期始終不變。
粒子將會從粒子引出口飛出D形盒，結(jié)束加速的過程
當粒子做圓周運動的半徑與D形盒半徑R相同時
在磁場中做圓周運動,周期不變電場的周期與粒子在磁場中做圓周運動周期相同-----保證粒子每次經(jīng)過交變電場時都被加速電場一個周期中方向變化兩次，每一個周期加速兩次4.粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定5.電場加速過程中,時間極短,可忽略
北京正負電子對撞機是世界八大高能加速器中心之一.1988年10月16日，兩束正負電子在北京西郊一個羽毛球拍狀的巨型機器里成功對撞，揭開了我國高能物理研究的新篇章。
目前世界上最大的回旋加速器在美國費米加速實驗室，環(huán)形管道的半徑為2公里。產(chǎn)生的高能粒子能量為5000億電子伏特。
這個過程看似可以一直進行下去，但實際上由于相對論的效應(yīng)，粒子的質(zhì)量會隨著速度增，圓周運動的周期也增加，這樣電場于運動不在同步，也就沒辦法加速了。
例2：回加速器D形盒的半徑為r，勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B。一個質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子在加速器的中央從速度為0開始加速。根據(jù)回旋加速器的這些數(shù)據(jù)估算該粒子離開回旋加速器時獲得的動能。
解：當帶電粒子離開回旋加速器時其速度達到最大，其運動半徑也最大，由
例2：回加速器D形盒的半徑為r，勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B。一個質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子在加速器的中央從速度為0開始加速。根據(jù)回旋加速器的這些數(shù)據(jù)估算該粒子離開回旋加速器時獲得的動能。如已知加速電壓為U，忽略在電場中運動時間，求加速的次數(shù)和加速的總時間。
解：每次加速得到的動能
例 (多選)一個用于加速質(zhì)子的回旋加速器,其核心部分如圖所示,D形盒半徑為R,垂直D形盒底面的勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B,兩盒分別與交流電源相連。設(shè)質(zhì)子的質(zhì)量為m、電荷量為q,則下列說法正確的是(　　)
B.質(zhì)子被加速后的最大速度隨B、R的增大而增大C.質(zhì)子被加速后的最大速度隨加速電壓的增大而增大D.只要R足夠大,質(zhì)子的速度可以被加速到任意值
回旋加速器加速的帶電粒子的最終能量由哪些因素決定?
觀點1：認為電場是用來加速的，磁場是用來回旋的，最終的能量應(yīng)與磁場無關(guān)。應(yīng)與電場有關(guān)，加速電壓越高，粒子最終能量越高。對嗎？
觀點2：運動半徑最大Rm=mVm/qB,得 Vm=qBRm/m 　半徑最大時，速度也應(yīng)最大。帶電粒子的運動最大半徑等于D形盒的半徑時，粒子的速度達到最大。對嗎？
③在偏轉(zhuǎn)磁場中，偏轉(zhuǎn)的距離為
①加速原理：在電場中加速，qU = ΔEk。
②缺點：占有的空間范圍大

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4 質(zhì)譜儀與回旋加速器

版本： 人教版 (2019)

年級： 選擇性必修 第二冊

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