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第一章 安培力与洛伦兹力
人教版（2019）选修 第二册
1.4 质谱仪与回旋加速器
1.了解质谱仪和回旋加速器的结构及工作原理；
2.经历质谱仪工作原理的推理过程，体会逻辑推理的思维方法；
了解回旋加速器面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。
学习目标
新课引入
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？
导入新课
1.结构：
一、质谱仪
粒子容器A、加速电场、偏转磁场、照相底片
⑴电场加速
2.原理
⑵磁场偏转
结论 一束带电粒子经过加速电场后，再垂直射入磁场，如果粒子的电荷量相同而质量不同，则粒子做匀速圆周运动的半径就不同，因而打在照相底片的不同地方。
3.应用
测质量
测定比荷
若已知粒子的带电量q，就可求出粒子的质量m。
公式变形：粒子的比荷
练习 质谱仪原理如图，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为＋q的正电子（不计重力），经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动。求：
⑴粒子射出加速器时的速度v为多少？
⑵速度选择器的电压U2为多少？
⑶粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径为多大？
+
q
科学研究中，怎样获得需要的高能粒子呢？
方案1：⊿Ek=qU
技术上的困难：
不能产生过高的电压
思考：如何解决加速设备很长这一难题？
方案2：多级直线加速器
技术上的困难：
加速设备很长
二、回旋加速器
核心部件：两个D形盒和其间的窄缝
1.结构：
2.功能:
粒子源、两个D形盒、匀强磁场、高频电源
获得高能粒子
3.原理
电场：
对带电粒子的加速作用
对运动电荷的偏转作用
依据：
T电压=T粒子
课本P18《思考与讨论》提出:电源的变化周期是否越来越短？
《思考与讨论》
磁场：
高频电源：
接高频
电源
狭缝
粒子源
动画模拟
4.局限性
D形盒半径不能无限制增大
受相对论效应的制约
例题 （课本P19 T4）回旋加速器两个D形金属盒分别和一高频交流电源两极相接，两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近。若粒子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为R，求： ⑴粒子在盒内做何种运动； ⑵所加交流电源的频率； ⑶粒子加速后获得的最大动能。
⑴匀速圆周运动；
⑵
⑶
由
得
当r为最大值R时，粒子速度最大，
则其最大动能为
解析:
问题: 要提高加速粒子的最终能量，应采取什么措施？
结论:带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关，只与磁感应强度B和D形盒半径R有关。
解析: 质量为m、电荷量为q的粒子，在电势差为U的电场中从静止开始加速运动，加速n次后的速度为vn，在磁感应强度为B的磁场中做半径为rn的匀速圆周运动，则有
猜想：由⊿Ek=qU可知，每次加速，速度增加，轨道半径随之增加，但若加速电压较小，则轨道半径每次增加的慢，由于最终能量一定，很可能加速次数会增多。
试分析这一猜想的正确性。
结论: 在加速电压和磁感应强度不变时，轨道半径的大小决定了加速的次数；
对于确定的D形盒，加速次数与加速电压成反比。
针对练 我国建造的第一台回旋加速器工作原理如图所示，回旋加速器的两个D形金属盒分别和一高频交流电源两极相接，电压大小为U，忽略粒子在电场中的运动时间。下列说法正确的是 （　　）
A.电荷量为q的粒子每次经过D形盒之间的缝隙后，动能均增加qU
B.由于粒子速度被逐渐加大，极板所加交流电的周期要相应减小
C.粒子从加速器出来的最大速度与D形盒的半径大小及磁场的磁感应强度有关
D.α粒子（ ）与氘核（ ）经同一回旋加速器加速后获得相同的动能
AC
质谱仪
回旋加速器
质谱仪、回旋加速器原理
电场加速
磁场偏转
共性
课堂小结
课堂小结

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