高中物理人教版 (2019)選擇性必修 第二冊4 質(zhì)譜儀與回旋加速器精品課件ppt

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1.4 質(zhì)譜儀與回旋加速器
人教版高中物理選修二
目錄
　　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？
新知導入
分開比荷不同的帶電粒子的方案
猜想一：
先用加速電場加速比荷不同的帶電粒子，再用勻強電場使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，從而把它們分開。原理圖如圖所示：
（1）先加速
（2）再偏轉(zhuǎn)（類平拋運動）
由：
得：
縱向：
橫向：
得：
由粒子的軌跡方程可知，粒子的軌跡與粒子的性質(zhì)無關(guān)，無法分開比荷不同的粒子。
新知導入
分開比荷不同的帶電粒子的方案
猜想二：
先用加速電場加速比荷不同的帶電粒子，再用勻強磁場使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，從而把它們分開。原理圖如圖所示：
（1）先加速
（2）再偏轉(zhuǎn)(勻速圓周運動）
由：
得：
得：
由粒子的軌道半徑表達式可知，比荷不同的帶電粒子的半徑不同，這種方法可以分開比荷不同的粒子。
新知導入
1、質(zhì)譜儀：利用磁場對帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，由帶電粒子的電荷量、軌道半徑確定其質(zhì)量的儀器。
2、結(jié)構(gòu)及作用 ：
①電離室：使中性氣體電離，產(chǎn)生帶電粒子
②加速電場：使帶電粒子獲得速度
③粒子速度選擇器：使具有相同速度的粒子進入偏轉(zhuǎn)磁場
④偏轉(zhuǎn)磁場：使不同帶電粒子偏轉(zhuǎn)分離
⑤照相底片：記錄不同粒子偏轉(zhuǎn)位置及半徑
電離室
加速電場
偏轉(zhuǎn)磁場
照相底片
速度選擇器
新知探究
1、質(zhì)譜儀是測量帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具
2、基本原理：
　　將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒子經(jīng)同一電場加速再垂直進入同一勻強磁場，由于粒子動量不同，引起軌跡半徑不同而分開，進而分析某元素中所含同位素的種類。
3、推導：
粒子初速度為零
粒子經(jīng)電場加速
4、作用：
①可測粒子的質(zhì)量及比荷；
②與已知粒子半徑對比可發(fā)現(xiàn)未知的元素和同位素。
新知探究
【例1】 一個質(zhì)量為 1.67×10 -27 kg、電荷量為 1.6×10 -19 C 的帶電粒子，以 5×10 5 m/s 的初速度沿與磁場垂直的方向射入磁感應(yīng)強度為 0.2 T 的勻強磁場。求：（1）粒子所受的重力和洛倫茲力的大小之比；（2）粒子在磁場中運動的軌道半徑；（3）粒子做勻速圓周運動的周期。
解 ：（1）粒子所受的重力G ＝ mg ＝ 1.67×10 -27 ×9.8 N 　　　　　　　　　　　　?。?1.64×10 -26 N所受的洛倫茲力F ＝ qvB ＝ 1.6×10 -19 ×5×10 5 ×0.2 N 　　　　　　　　　　?。?1.6×10 -14 N重力與洛倫茲力之比G／F＝1.64×10 -26 ／1.6×10 -14　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?.03×10 -12可見，帶電粒子在磁場中運動時，洛倫茲力遠大于重力，重力作用的影響可以忽略。
新知應(yīng)用
（2）帶電粒子所受的洛倫茲力為　F ＝ qvB　　洛倫茲力提供向心力，故　　qvB＝mv 2／r　　由此得到粒子在磁場中運動的軌道半徑　　　　　r＝mv／qB　　　　?。?.67×10 -27 ×5×10 5／1.6×10 -19 ×0.2m　　　　?。?.61×10 -2 m（3）粒子做勻速圓周運動的周期　　T＝2πr／v＝2πm ／qB 　　　　　　　＝2×3.14×1.67×10 -27／1.6×10 -19 ×0.2 s　　　　　　?。?.28×10 -7 s
新知應(yīng)用
?
AD
　【例２】
新知應(yīng)用
?
C
１.
新知鞏固
1．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=?Ek．
2．直線加速器，多級加速如圖所示是多級加速裝置的原理圖：
(一)、直線加速器
3．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．
新知探究
1．1932年美國物理學家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)進行多級加速．2．工作原理： 利用電場對帶電粒子的加速作用和磁場對運動電荷的偏轉(zhuǎn)作用來獲得高能粒子，這些過程在回旋加速器的核心部件——兩個D形盒和其間的窄縫內(nèi)完成。
新知探究
新知探究
新知探究
3、工作原理：
①帶電粒子在D形盒中運行的周期：
（1）加速條件
③電場的變化周期要等于粒子的運動周期：
新知探究
1.在磁場中做圓周運動,周期不變2.每一個周期加速兩次3.電場的周期與粒子在磁場中做圓周運動周期相同4.電場一個周期中方向變化兩次5.粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定6.電場加速過程中,時間極短,可忽略
新知探究
思考題：正誤判斷（正確的打“√”，錯誤的打“×”）（1）帶電粒子在磁場中運動的偏轉(zhuǎn)角等于運動軌跡圓弧所對應(yīng)的圓心角的2倍。（ ）（2）帶電粒子在磁場中偏轉(zhuǎn)時，速度的方向改變而速度的大小不變。（ ）（3）速度選擇器既可以選擇粒子的速度，也可以選擇粒子的電性。（ ）（4）應(yīng)用質(zhì)譜儀可以測定帶電粒子的比荷。（ ）（5）回旋加速器兩狹縫可以接直流電源。（ ）
×
×
×
√
√
新知應(yīng)用
3．回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電極相連接的兩個D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的電場，使粒子在通過狹縫時都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強磁場中，如圖所示，要增大帶電粒子射出時的動能，則下列說法中正確的是（ ）A．增大勻強電場間的加速電壓B．減小磁場的磁感應(yīng)強度C．減小周期性變化的電場的頻率D．增大D形金屬盒的半徑
D
【例３】
新知應(yīng)用
5．如圖所示，回旋加速器D形盒的半徑為R，用來加速質(zhì)量為m，電量為q的質(zhì)子，質(zhì)子每次經(jīng)過電場區(qū)時，都恰好在電壓為U時被加速，且電場可視為勻強電場，使質(zhì)子由靜止加速到能量為E后，由A孔射出。下列說法正確的是（ ）A．D形盒半徑R、磁感應(yīng)強度B不變，若加速電壓U越高， 質(zhì)子的能量E將越大B．磁感應(yīng)強度B不變，若加速電壓U不變，D形盒半徑R越大， 質(zhì)子的能量E將越大C．D形盒半徑R、磁感應(yīng)強度B不變，若加速電壓U越高， 質(zhì)子在加速器中的運動時間將越長D．D形盒半徑R、磁感應(yīng)強度B不變，若加速電壓U越高， 質(zhì)子在加速器中的運動時間將越短
BD
２.
新知鞏固
1931年，加利福尼亞大學的勞倫斯斯提出了一個卓越的思想，通過磁場的作用迫使帶電粒子沿著磁極之間做螺旋線運動,把長長的電極像卷尺那樣卷起來，發(fā)明了回旋加速器，第一臺直徑為27cm的回旋加速器投入運行，它能將質(zhì)子加速到1Mev。1939年勞倫斯獲諾貝爾物理獎。
新知應(yīng)用
新知應(yīng)用
回旋加速器與人們的生活
新知應(yīng)用
(1) 磁場的作用： 帶電粒子以某一速度垂直磁場方向進入勻強磁場后，并在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，其周期和速率、半徑均無關(guān)，帶電粒子每次進入D形盒都運動相等的時間（半個周期）后平行電場方向進入電場中加速．(2)電場的作用： 回旋加速器的兩個D形盒之間的窄縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩D形盒正對截面的勻強電場，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時被加速．(3)交變電壓： 為了保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫時都被加速，使之能量不斷提高，須在窄縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運動周期相同的交變電壓．
新知應(yīng)用
帶電粒子的最終能量
當帶電粒子的速度最大時，其運動半徑也最大，由r =mv/qB　得v =rqB/m，若D形盒的半徑為R，則帶電粒子的最終動能：
所以，要提高加速粒子的最終能量，應(yīng)盡可能增大磁感應(yīng)強度B和D形盒的半徑R．
新知應(yīng)用
如果盡量增強回旋加速器的磁場或加大D形盒半徑，我們是不是就可以使帶電粒子獲得任意高的能量嗎？
新知應(yīng)用
　　粒子速度v接近光速c時，質(zhì)量變大，在磁場中運動周期改變，與交變電場周期不同步。
改進：
新知應(yīng)用
一. 質(zhì)譜儀
二. 回旋加速器
1、條件：
2、粒子能量：
3、運動時間：
課堂小結(jié)
電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)的對比
垂直電場線進入勻強電場(不計重力)
垂直磁感線進入勻強磁場(不計重力)
電場力F＝Eq大小、方向都不變
洛倫茲力F洛＝qvB的大小不變，方向隨v的方向的改變而改變
類平拋運動
勻速圓周運動或其一部分
拋物線
圓或圓的一部分
課堂小結(jié)
電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)的對比
偏移y和偏轉(zhuǎn)角φ要通過類平拋運動的規(guī)律求解
偏轉(zhuǎn)y和偏轉(zhuǎn)角φ要結(jié)合圓的幾何關(guān)系通過對圓周運動的討論求解
動能增大
動能不變
課堂小結(jié)
課程結(jié)束
人教版高中物理選修二