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(共28张PPT)
第4节 质谱仪与回旋 加速器
第一章
人教版 高中选择性必修第二册
质谱仪
01
回旋加速器
02
巩固提升
03
新课导入
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？
新课导入
方案：
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：
U0
L
y
U d
m , q
（1）先加速
（2）再偏转（类平抛运动）
由：
得：
纵向：
横向：
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。
质谱仪
PART 01
质谱仪的结构
01
电离室
加速电场
偏转磁场
照相底片
电离室：使中性气体电离，产生带电粒子
加速电场：使带电粒子获得速度
偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
质谱仪的原理
02
你能根据所学知识解释一下质谱仪的工作原理吗？
电离室
加速电场
偏转磁场
照相底片
（1）先加速
（2）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。
质谱仪还可以完成其他实验任务吗？
质谱仪的作用
03
质谱仪还可以计算粒子的质量，其原理是，可以根据入射孔和底片计算出带电粒子在磁场中偏转半径r,则有：
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？
质谱仪的改进
04
原理图
加速电场
速度选择器
电离室
加速电场
偏转磁场
照相底片
速度选择器
速度选择器E，B：
偏转磁场B0：
观察改进后质谱仪的结构，这样的设计有什么优点？
典例探究
05
典例探究
06
回旋加速器
PART 02
问题引出
01
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
粒子加速器
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？
直线加速器
02
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？
回旋加速器
03
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？
工作原理：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个D形盒和其间的窄缝内完成。
回旋加速器
03
回旋加速器
03
接高频
电源
狭缝
原理图
粒子源






回旋加速器要如何设置才能保证电荷被加速？
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。
回旋加速器
03
粒子加速后的最大速度或最大能量是多少，它们由什么因素决定？跟电压大小有关系吗？
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。
回旋加速器
03
带电粒子加速后速度增大,周期需要改变吗 如果改变，这将带来什么技术难关，你觉得如何改进？
粒子速度v接近光速c时，质量变大，在磁场中运动周期改变，与交变电场周期不同步。
改进：
一. 质谱仪
二. 回旋加速器
课堂小结
巩固提升
PART 4
巩固提升
巩固提升
答案：AD
巩固提升
巩固提升
答案：D
巩固提升
巩固提升
第3节 带电粒子在匀强磁场中的运动
人教版 高中选择性必修第二册

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