资源简介

安培力与洛伦兹力
1.4 质谱仪和回旋加速器
学习目标
1.知道质谱仪的构造和原理。
2.知道回旋加速器的构造和原理。
3.会利用力和运动的知识分析带电粒子的运动情况。
动画导入
质谱仪
讲授新课
质谱仪
1.原理：如图所示，带电粒子经加速电场加速后垂直于磁场方向进入匀强磁场，最后打在照相底片上，不同质量的粒子打在照相底片上位置不同。
3.加速：带电粒子进入质谱仪的电场被加速，则qU＝12mv2　①
?
4.偏转：带电粒子进入质谱仪的磁场做匀速圆周运动，则Bqv?＝????????2????　②
?
5.结论：由①②可求半径r、质量m、比荷????????等，其中r＝1????2????????????，可知电荷量相同时，半径将随质量变化。
6.应用：测定带电粒子的质量和分析同位素。
?
2、电离室：使中性气体电离，产生带电粒子
随堂练习
质谱仪
1、质谱仪是一种测定带电粒子的质量及分析同位素的重要工具，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（速度可看成为零），经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x。
（1）若离子质量为m、电荷量为q、加速电压为U、磁感应强度大小为B，求x的大小。
（2）氢的三种同位素?????????H、?????????H、?????????H从离子源S出发，到达照相底片的位置距入口处S1的距离之比xH∶xD∶xT为多少？
?
答案　（2）1∶????∶????
?
答案　（1）???????? ????????????????　
?
讲授新课
回旋加速器
想要研究原子的结构，我们就需要“打开”原子核的高能“炮弹”，而加速器就是制造高能“炮弹”的“工厂”。
在研究电场时，我们知道可以利用静电力对带电粒子做功增加粒子的能量，即 ,电压越高粒子增加的能量越大。但有一个技术问题就是如何产生高压？
为了解决这一技术难题，我们想到了“多级加速”，也就是直线加速器，但设备太长。
讲授新课
回旋加速器
能否把加速电场盘起来，像水管或者电线一样，节省空间呢？
带电粒子做圆周运动的周期T＝2π????????????。对一个特定的带电粒子，在固定不变的匀强磁场中，其周期是一个定值，与速度无关——回旋加速器
?
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
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。有没有什么办法改进？
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回旋加速器
讲授新课
回旋加速器
1.交变电压的周期
为了保证带电粒子每次经过狭缝时都被加速，须在狭缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压，即交变电压的周期等于带电粒子在磁场中运动的周期。
2.带电粒子的最终能量
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回旋加速器
由r＝????????????????知，当带电粒子的运动半径最大时，其速度也最大，若D形盒半径为R，则带电粒子的最终动能Ekm＝????2????2????22????。可见，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能地增大磁感应强度B和D形盒的半径R。
?
2.带电粒子的最终能量：
3.粒子被加速次数的计算：
粒子在回旋加速器中被加速的次数n＝????km????????（U是加速电压的大小），一个周期加速两次。
?
4.粒子在回旋加速器中运动的时间：
在电场中运动的时间为t1，在磁场中运动的时间为t2＝????2T＝????π????????????（n是粒子被加速次数），总时间为t＝t1＋t2，因为t1?t2，一般认为在盒内的时间近似等于t2。
?
讲授新课
回旋加速器
2、用来加速带电粒子的回旋加速器的结构示意图如图甲所示，其核心部分是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中，两盒分别与高频电源相连。带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t的变化规律如图乙所示。忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断正确的是（　　）
A.在Ek－t图像中应有t4－t3＜t3－t2＜t2－t1
B.加速电压越大，粒子最后获得的动能就越大
C.粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大
D.要想粒子获得的最大动能增大，可增加D形盒的面积
C
（1）先加速
（3）再偏转(匀速圆周运动）
由：
得：
得：
这样比荷不同的粒子就可以被分开了。
质谱仪
课堂小结
（2）再选择Eq=B1qv
课堂小结
回旋加速器
带电粒子在D形盒中运行的周期：
加速条件
每过 电场方向要改变一次，
以保证带电粒子始终被加速。
粒子最大动能：（离开半径与D形盒半径相同）
对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关。
得：
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