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1.4质谱仪与回旋加速器
人教版 选择性必修二 第一章
制作人：
使用时间：2024年3月9日
课前励志
少年自当扶摇上，
揽星衔月逐日光 。
人生最好的投资，是在该读书的年纪全力以赴。
核心素养目标
知道质谱仪和回旋加速器的基本结构和工作原理。
2. 经历质谱仪和回旋加速器工作原理的推理过程，在仪器中体会物理知识的运用，体会逻辑推理的思维方法。
3. 了解质谱仪和回旋加速器的局限性，体会理论与实践的区别，以及理论在实际生产生活中运用的困境。
思考导入
在科学研究和工业生产中，常常遇到这样的问题，一束带电粒子流由电荷量相同，但质量不同的粒子组成，需要将不同粒子分离，以便分析其中所含物质的成分，对此常常用到的科学仪器叫质谱仪。
小组讨论：质谱仪究竟是如何将电荷量相同，但质量不同的带电粒子进行分离的？（结合带电粒子在磁场中的运动相关知识分析）
思考分析
方案二： 让电荷垂直进入匀强磁场，后 在磁场中进行圆周运动
方案一：只使用电场，经历先加速后偏转
（1）先加速
（2）再偏转（类平抛运动）
由：
得：
纵向：
横向：
得：
（1）先加速
由：
得：
（2）再偏转(匀速圆周运动）
得：
这样 比荷不同的粒子就可以被分开了。
质谱仪(15min)
PART 01
PART 01
探究质谱仪
19世纪末，英国物理学家阿斯顿就按照这样的想法设计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20和氖-22，证实了同位素的存在。后来经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是科学研究和工业生产中的重要工具。
PART 01
1. 电离室：使中性气体电离，产生带电粒子，飘出的带电粒子质量不同，电荷量相同。
2. 加速电场：对带电粒子产生静电力，静电力做功使带电粒子获得动能。电势能转化为粒子的动能。
3. 偏转磁场：使带电粒子做匀速圆周运动，由于半径r不同而分离。
基本结构
电离室
加速电场
偏转磁场
照相底片
PART 01
质谱仪的工作原理可以分为两个过程：加速过程、偏转过程
（1）加速过程——电场使带电粒子加速
（2）偏转过程——磁场使带电粒子偏转
动能定理，粒子初速度很小，忽略不计
得：
得：
比荷不同的粒子的轨道半径r不同，成功分离不同粒子。
工作原理
电离室
加速电场
偏转磁场
照相底片
PART 01
变形
质谱仪的用途不只是分离带电粒子。质谱仪还可以测量粒子的质量：
电离室
加速电场
偏转磁场
照相底片
若粒子初速度不为零，上述结论是否还成立，如何克服这一问题带来的困难？
PART 01
质谱仪的改进：
原理图
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加速电场
速度选择器
电离室
加速电场
偏转磁场
速度选择器
速度选择器E，B：
偏转磁场B0：
（随堂练习）
若实验分析后，已知这束带电粒子只有包含氕、氘、氚，请标注出它们分别对应的轨迹？
（随堂练习）. 如图为质谱仪原理示意图，一个质量为m，电荷量为q的带正电的粒子，粒子初速度很小可视为静止，首先经过一个电压为U的加速电场。随后，粒子进入速度选择器，其内有相互垂直的匀强电场E和匀强磁场，匀强电场方向水平向右。部分带电粒子能够沿着直线穿过速度选择器，并从G点垂直MN边界进入偏转磁场，偏转磁场是以直线MN为边界的匀强磁场，方向垂直纸面向外。粒子经过偏转磁场后，最终会到达照相底片的H点，测量出G点和H点之间的距离为L。带电粒子的重力可忽略不计。(1)带电粒子从加速电场射出时速度v的大小；
(2)粒子速度选择器中磁感应强度B1的大小和方向；
(3)偏转磁场的磁感应强度B2的大小。
PART 02
回旋加速器
（15min)
PART 02
物质是由原子构成，原子则由原子核以及核外电子构成，那么原子核的内部又是怎样的？
如果把原子核想象成一颗鸡蛋，想知道内部结构就必须把它“打碎”进行“观察”。然而，原子核很稳定，很难“打碎”只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才能把它“打开”。
高能粒子
粒子加速器
必修三中学过直线加速器，它的基本机构和工作原理是怎样的
PART 02
设电子进入第 n 个圆筒后的速度为 v，根据动能定理：
解得：
第 n 个圆筒的长度： （n越大圆筒越长）
局限性：直线加速器长度过长，占用的空间范围太大。
PART 02
1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，这一发明大大减小了加速器所占空间的体积。
基本结构：两个D形空心盒、盒间狭缝。
工作原理：1. 狭缝间的加速电场使带电粒子加速，
2. D形空心盒内的偏转磁场使带电粒子做圆周运动。
PART 02
随着粒子加速，圆周运动半径r越来越大。已知D型空心盒半径为R，粒子加速后的最大速度是多少？最大动能是多少？
物理含义：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。
PART 02
洛伦磁力提供向心力
交变电压
狭缝
粒子源
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回旋加速器要如何设置才能保证电荷被加速？以正电荷为例。
带电粒子在磁场中做圆周运动的周期T：
每转半圈 电场方向要改变一次，使得带电粒子被不断加速。
PART 02
带电粒子加速后速度增大,周期是否改变?如果改变，这将带来什么技术难关，你觉得如何改进？
事实上，回旋加速器加速的带电粒子，能量达到 25 ? 30 MeV 后，很难再加速了。原因是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度增加而增大，而质量的变化会导致其回转周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。
PART 02
PART 02
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。
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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。
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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
PART 02（随堂练习）
PART 02
2.（多选）1932年劳伦斯和利文斯设计出了回旋加速器。回旋加速器由两个铜质D形盒构成，盒间留有缝隙，加高频电源，中间形成交变的电场，D形盒装在真空容器里，整个装置放在与盒面垂直的匀强磁场B中。若用回旋加速器加速质子，不考虑相对论效应，下列说法正确的是（　　）
A.质子动能增大是由于洛伦兹力做功
B.质子动能增大是由于电场力做功
C.质子速度增大，在D形盒内运动的周期变大
D.质子速度增大，在D形盒内运动的周期不变
知识总结
PART 03
PART 03
1.4 质谱仪与回旋加速器 二.回旋加速器
1、直线加速器
2、回旋加速器
一.质谱仪
本节课到此结束
作业：三维设计

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