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高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
第4节:质谱仪与回旋加速器
高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
温故知新
带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期和半径
高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
思考讨论如何分开电话量相同而质量不同的带电粒子
方案一利用电场
先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示：
（1）先加速，由
得：
（2）再偏转（类平抛运动）
纵向：
横向：
U0
L
y
U d
m , q
得：
由粒子的轨迹方程可知，粒子的轨迹与粒子的性质无关，无法分开比荷不同的粒子。
高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
思考讨论如何分开电话量相同而质量不同的带电粒子
方案二利用电场和磁场
先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强磁场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示：
（1）先加速由：
得：
（2）再偏转(匀速圆周运动）
得：
U0
B
m , q
由粒子的轨道半径表达式可知，比荷不同的带电粒子的半径不同，这种方法可以分开比荷不同的粒子。
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质谱仪
质谱仪的结构及其作用
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。
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
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质谱仪
质谱仪的工作原理
你能根据所学知识解释一下质谱仪的工作原理吗？
（1）先加速由：
得：
（2）再偏转(匀速圆周运动）
得：
由于粒子的荷质比不同，则做圆周运动的半径也不同，因此打到不同的位置,这样就可把不同比荷的粒子分开来。
(3)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
质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具
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提出问题
如何产生极高能量的粒子
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”。如何产生极高能量的粒子？
粒子加速器
粒子加速
还记得必修三中学过的直线加速器吗，他的工作原理是怎样的，它有什么弊端？
设电子进入第 n 个圆筒后的速度为 v，根据动能定理有：
得
第 n 个圆筒的长度为
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直线加速器
直线加速器的原理
直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。
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？
斯坦福直线加速器中心鸟瞰图
直线加速器
直线加速器的缺陷
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回旋加速器
回旋加速器的发现及其结构
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进行多级加速。观察结构，并尝试说明其工作原理？
结构及作用 ：
①两个大磁极 ：在带电粒子运动范围内产生很强的匀强
磁场，使带电粒子做匀速圆周运动。
②两个D形盒：D形盒内部有磁场没有电场。使带电粒
子的圆周运动不受电场影响。
③D形盒间的窄缝：使带电粒子在这一区间被电场加速。
④交变电场：交变电场的周期等于粒子做匀速圆周运动
的周期。使带电粒子在D形盒间的窄缝被加速。
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回旋加速器
回旋加速器的工作原理
接高频
电源
狭缝
原理图
粒子源






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？
半径
周期
周期与粒子的速度无关
②电场的作用是什么？
电场使粒子加速，一个周期，加速两次
③再次进入电场，怎么保证能做加速运动？
电场的周期与粒子在磁场中运动的周期相同
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？
粒子的动能与加速电压无关，与D型盒的半径有关
1.交变电流周期：
2.粒子时的速度：
3.离开时的动能：
4.一共加速次数：
5.磁场运动时间：
6.电场运动时间：
每换一种粒子都得调整交变电流周期
速度与D型盒半径以及磁感应强度有关，与U无关
动能与D型盒半径以及磁感应强度有关，与U无关
加速次数与D型盒半径、磁感应强度、电压U有关
磁场时间与D型盒半径、磁感应强度、电压U有关
电场时间与缝间距、D型盒半径、磁感应强度、电压U有关
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回旋加速器
回旋加速器的几个常用结论
一. 质谱仪
二. 回旋加速器
课堂小结
高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
1．质谱仪是一种测定带电粒子质量或分析同位素的重要设备，它的构造原理如图所示。离子源S产生的各种不同正离子束（速度可视为零），经MN间的加速电压U加速后从小孔S1垂直于磁感线进入匀强磁场，运转半周后到达照相底片上的P点。设P到S1的距离为x，则（　　）
A．只要x相同，对应的离子质量一定相同
B．只要x相同，对应的离子电荷量一定相同
C．若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越大
D．若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越小
C
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2．如图是质谱仪工作原理示意图。带电粒子a、b从容器中的A点飘出（在A点初速度为零），经电压U加速后，从x轴坐标原点处进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后分别打在感光板S上，坐标分别为x1、x2。图中半圆形虚线分别表示带电粒子a、b所通过的路径，则（　　）
A．b进入磁场的速度一定大于a进入磁场的速度
B．a的比荷一定小于的b比荷
C．若a、b电荷量相等，则它们的质量之比
D．若a、b质量相等，则在磁场中运动时间之比
C
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3．质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。如图所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量。让氢的三种同位素的离子流从容器A下方的小孔S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的匀强磁场中、氢的三种同位素分别为氕（即为质子）、氘（质量约为质子的2倍，电荷量与质子相同）、氚（质量约为质子的3倍，电荷量与质子相同），最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”。则下列判断正确的是（　　）
A．进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氕、氘、氚
B．进入磁场时动能从大到小排列的顺序是氕、氘、氚
C．在磁场中运动时间由大到小排列的顺序是氕、氘、氚
D．a、b、c三条“质谱线”依次排列的顺序是氕、氘、氚
A
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4．质谱仪的原理如图所示，由加速电场和偏转磁场组成，虚线AD上方区域存在垂直纸面向外的匀强磁场。同位素离子源产生a、b两种电荷量相同的离子，无初速度进入加速电场，经同一电压加速后，垂直进入磁场，a离子恰好打在C点，b离子恰好打在D点。离子重力不计。则（　　）
A．两个离子均为负离子
B．a离子质量比b离子质量小
C．a、b离子在磁场中的运动时间相等
D．若增大加速电场的电压U，则两离子在偏转磁场中运动的半径都变大
BD
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5．如图所示，为回旋加速器的原理图.其中D1和D2是两个中空的半径为R的半圆形金属盒，接在电压为U的加速电源上，位于D2圆心处的粒子源A能不断释放出一种带电粒子（初速度可以忽略，重力不计），粒子在两盒之间被电场加速，D1、D2置于与盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中。已知粒子电荷量为q、质量为m，忽略粒子在电场中运动的时间，不考虑加速过程中引起的粒子质量变化，下列说法正确的是（　　）
A．加速电源可以用直流电源，也可以用任意频率的交流电源
B．加速电源只能用周期为 的交流电源
C．粒子第一次进入D1盒与第一次进入盒D2的半径之比为1:2
D．粒子在电场中加速的次数为
D
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6．回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电极和连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列方法中正确的是（　　）
A．增大狭缝间的加速电压
B．减小电场的变化周期
C．减小狭缝间的距离
D．增大D形金属盒的半径
D
高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
7．如图所示，回旋加速器由两个铜质半圆D形金属盒D1、D2构成，其间留有缝隙，缝隙处接交流电源。D形盒处于匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，盒的圆心附近置有粒子源，若粒子源射出的粒子带电荷量为q（q>0），质量为m，粒子最大回旋半径为R，下列说法正确的是（　　）
A．回旋加速器的磁场方向一定做周期性变化
B．粒子被加速后的最大速度随加速电压增大而增大
C．交流电压的周期
D．粒子飞出加速器的动能为
CD
高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
8．如图为回旋加速器的示意图，两个靠得很近的D形金属盒处在与盒面垂直的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B，已知D形盒的半径为R，高频交变电源的电压为U、频率为f，质子质量为m，电荷量为q，已知质子在磁场中运动的周期等于交变电源的周期，下列说法正确的是（　　）
A．粒子由加速器的边缘进入加速器
B．质子的最大速度不超过2πRf
C．质子的最大动能与U无关
D．粒子在狭缝和D形盒中运动时都能获得加速
BC
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