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物理也疯狂
人教版高中物理选择性必修第二册
第一章 第4节
质谱仪与回旋加速器
目
录
contents
01
质谱仪
02
回旋加速器
情境导入
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？
质谱仪
质谱仪是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。
质谱仪
1.质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。
2.结构及作用：
①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子
②加速电场：使带电粒子获得速度
③偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
④照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
电离室
加速电场
偏转磁场
照相底片
质谱仪
3.原理：
4.作用：
①可测粒子的质量及比荷
②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素
由粒子质量公式可知，如果带电粒子的电荷量相同，质量有微小差别，就会打在照相底片上的不同位置，出现一系列的谱线，不同质量对应着不同的谱线，叫作质谱线。
在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为x=2r
比荷:
质量:
由：
得：
得：
由：
经电场加速
得：
质谱仪
质谱仪
如图所示，一束带电粒子以一定的初速度沿直线通过由相互正交的匀强磁场（磁感应强度为B）和匀强电场（电场强度为E）组成的速度选择器，然后通过狭缝P进入另一匀强磁场（磁感应强度为B’），最终打在A1A2上，粒子重力不计。下列表述正确的是（ ）
A.粒子带负电
B.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B
C.粒子打在A1A2的位置越靠近P，粒子的比荷q/m越大
D.所有打在A1A2上的粒子，在磁感应强度为B’的磁场中的运动时间都相同
BC
回旋加速器
直线加速器
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”。那如何才能获得需要的高能粒子呢？产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器
回旋加速器
能不能设计一种能实现多次加速，又减少占地空间的加速器呢？
北京正负电子对撞机
202米
欧洲强子对撞磁场加速器
几公里
回旋加速器
U
m,q
B
用磁场控制轨道，用电场进行加速粒子的装置就是回旋加速器
回旋加速器
1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内对带电粒子进行多级加速。
劳伦斯
第一台回旋加速器
回旋加速器
回旋加速器
概念：利用电场对电荷的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用，在较小的范围内来获得高能粒子的装置。
2.结构：回旋加速器的核心部件是:
（1）两个D形盒(半圆金属盒）
（2）A粒子源
（3）交流电源
（4）偏转磁场
原理图
回旋加速器
U
3.工作原理：
（1）磁场的作用是什么？写出粒子进入磁场后半径表达式？周期？粒子在磁场中运动特点？

（2）电场的作用是什么？
电场使粒子加速
（3）再次进入电场，怎么保证能做加速运动？

（4）带电粒子飞出回旋加速器加速时，获得的动能由哪些因素决定？
接高频
电源
狭缝
原理图
粒子源






由：
得：
跟踪练习
如图，均匀绕制的螺线管水平放置，在其正中心的上方附近用绝缘绳水平吊起通电直导线A，A与螺线管垂直，A导线中的电流方向垂直纸面向里。闭合开关S，A受到的通电螺线管产生的磁场的作用力的方向是
A.竖直向上 B.竖直向下 C.水平向右 D.水平向左
√
解析：首先根据安培定则判断出通电螺线管右端为N极，左端为S极，所以在A处产生的磁场方向水平向左。根据左手定则判断可知A受到的通电螺线管产生的磁场的作用力的方向竖直向上，选项A正确，B、C、D错误。
跟踪练习


√
√
跟踪练习

跟踪练习

AD
跟踪练习
（1）粒子在磁场中飞出的最大轨道半径为D形盒的半径，对应速度也最大，则有

最大动能为：



联立解得：

所以粒子运动时间：

又粒子做匀速圆周运动的周期：




所以两粒子动能关系：


跟踪练习

跟踪练习

√
√

跟踪练习

跟踪练习
5.（多选）如图所示，回旋加速器D形盒的半径为R，用来加速质量
为m、电荷量为q的质子，质子每次经过电场区时，都恰好在电压
为U时被加速，且电场可视为匀强电场，使质子由静止加速到能量
为E后，由A孔射出。下列说法正确的是（　　）
A. D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，质子的能量E将越大
B. 磁感应强度B不变，若加速电压U不变，D形盒半径R越大，质子的能量E将越大
C. D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，质子在加速器中的运动时间将越长
D. D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，质子在加速器中的运动时间将越短

跟踪练习
课堂小结
质谱仪与回旋加速器






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