质谱仪与回旋加速器

1、第五节洛伦兹力的应用第五节洛伦兹力的应用 课标定位课标定位 学习目标：学习目标：1.知道洛伦兹力只改变带电粒子速知道洛伦兹力只改变带电粒子速 度方向，不改变其速度大小度方向，不改变其速度大小 2知道质谱仪和回旋加速器的构造和原理知道质谱仪和回旋加速器的构造和原理 重点难点：质谱仪和回旋加速器的原理和应重点难点：质谱仪和回旋加速器的原理和应 用用 山东水浒书业有限公司山东水浒书业有限公司 第第3章磁场章磁场 课课 前前 自自 主主 学学 案案 核核 心心 要要 点点 突突 破破 课课 堂堂 互互 动动 讲讲 练练 知知 能能 优优 化化 训训 练练 返回返回 一一、质谱仪和回旋加速器、质谱仪和回

2、旋加速器 1质谱仪质谱仪 (1)原理图：如图原理图：如图352 图图352 山东水浒书业有限公司山东水浒书业有限公司 第第3章磁场章磁场 课课 前前 自自 主主 学学 案案 核核 心心 要要 点点 突突 破破 课课 堂堂 互互 动动 讲讲 练练 知知 能能 优优 化化 训训 练练 返回返回 山东水浒书业有限公司山东水浒书业有限公司 第第3章磁场章磁场 课课 前前 自自 主主 学学 案案 核核 心心 要要 点点 突突 破破 课课 堂堂 互互 动动 讲讲 练练 知知 能能 优优 化化 训训 练练 返回返回 山东水浒书业有限公司山东水浒书业有限公司 第第3章磁场章磁场 课课 前前 自自 主主 学学

3、案案 核核 心心 要要 点点 突突 破破 课课 堂堂 互互 动动 讲讲 练练 知知 能能 优优 化化 训训 练练 返回返回 核心要点突破核心要点突破 一、质谱仪工作原理的理解一、质谱仪工作原理的理解 质谱仪是利用电场和磁场控制电荷运动的精密仪质谱仪是利用电场和磁场控制电荷运动的精密仪 器，它是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要器，它是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要 工具其结构如图工具其结构如图352甲所示，容器甲所示，容器a中含有电中含有电 荷量相同而质量有微小差别的带电粒子经过荷量相同而质量有微小差别的带电粒子经过s1和和 s2之间的电场加速，它们进入磁场将沿着不同的半之间的电场加速

4、，它们进入磁场将沿着不同的半 径做圆周运动，打到照相底片的不同地方，在底片径做圆周运动，打到照相底片的不同地方，在底片 上形成若干谱线状的细条，叫做质谱线每一条谱上形成若干谱线状的细条，叫做质谱线每一条谱 线对应于一定的质量从谱线的位置可以知道圆周线对应于一定的质量从谱线的位置可以知道圆周 的半径，如果再已知带电粒子的电荷量，就可以算的半径，如果再已知带电粒子的电荷量，就可以算 出它的质量，这种仪器叫做质谱仪出它的质量，这种仪器叫做质谱仪 山东水浒书业有限公司山东水浒书业有限公司 第第3章磁场章磁场 课课 前前 自自 主主 学学 案案 核核 心心 要要 点点 突突 破破 课课 堂堂 互互 动动

5、 讲讲 练练 知知 能能 优优 化化 训训 练练 返回返回 山东水浒书业有限公司山东水浒书业有限公司 第第3章磁场章磁场 课课 前前 自自 主主 学学 案案 核核 心心 要要 点点 突突 破破 课课 堂堂 互互 动动 讲讲 练练 知知 能能 优优 化化 训训 练练 返回返回 山东水浒书业有限公司山东水浒书业有限公司 第第3章磁场章磁场 课课 前前 自自 主主 学学 案案 核核 心心 要要 点点 突突 破破 课课 堂堂 互互 动动 讲讲 练练 知知 能能 优优 化化 训训 练练 返回返回 山东水浒书业有限公司山东水浒书业有限公司 第第3章磁场章磁场 课课 前前 自自 主主 学学 案案 核核 心心

6、 要要 点点 突突 破破 课课 堂堂 互互 动动 讲讲 练练 知知 能能 优优 化化 训训 练练 返回返回 山东水浒书业有限公司山东水浒书业有限公司 第第3章磁场章磁场 课课 前前 自自 主主 学学 案案 核核 心心 要要 点点 突突 破破 课课 堂堂 互互 动动 讲讲 练练 知知 能能 优优 化化 训训 练练 返回返回 山东水浒书业有限公司山东水浒书业有限公司 第第3章磁场章磁场 课课 前前 自自 主主 学学 案案 核核 心心 要要 点点 突突 破破 课课 堂堂 互互 动动 讲讲 练练 知知 能能 优优 化化 训训 练练 返回返回 山东水浒书业有限公司山东水浒书业有限公司 第第3章磁场章磁场

7、 课课 前前 自自 主主 学学 案案 核核 心心 要要 点点 突突 破破 课课 堂堂 互互 动动 讲讲 练练 知知 能能 优优 化化 训训 练练 返回返回 山东水浒书业有限公司山东水浒书业有限公司 第第3章磁场章磁场 课课 前前 自自 主主 学学 案案 核核 心心 要要 点点 突突 破破 课课 堂堂 互互 动动 讲讲 练练 知知 能能 优优 化化 训训 练练 返回返回 山东水浒书业有限公司山东水浒书业有限公司 第第3章磁场章磁场 课课 前前 自自 主主 学学 案案 核核 心心 要要 点点 突突 破破 课课 堂堂 互互 动动 讲讲 练练 知知 能能 优优 化化 训训 练练 返回返回 山东水浒书业

8、有限公司山东水浒书业有限公司 第第3章磁场章磁场 课课 前前 自自 主主 学学 案案 核核 心心 要要 点点 突突 破破 课课 堂堂 互互 动动 讲讲 练练 知知 能能 优优 化化 训训 练练 返回返回 山东水浒书业有限公司山东水浒书业有限公司 第第3章磁场章磁场 课课 前前 自自 主主 学学 案案 核核 心心 要要 点点 突突 破破 课课 堂堂 互互 动动 讲讲 练练 知知 能能 优优 化化 训训 练练 返回返回 即时应用即时应用(即时突破，小试牛刀即时突破，小试牛刀) 2.回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部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相连接的两个分

9、是分别与高频交流电极相连接的两个d形金属形金属 盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，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，两使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两d形金属形金属 盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图357 所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说 法中正确的是法中正确的是() 图图357 a增大匀强电场间的加速电压增大匀强电场间的加速电压 b增大磁场的磁感应强度增大磁场的磁感应强度 c减小狭缝间的距离减小狭缝间的距离 d增大增大d形金属盒的半径形金属盒的半径 即时

10、应用即时应用(即时突破，小试牛刀即时突破，小试牛刀) 3(2011年杭州高二检测年杭州高二检测)一个带电粒子以初速一个带电粒子以初速 度度v0垂直于电场方向向右射入匀强电场区域，穿垂直于电场方向向右射入匀强电场区域，穿 出电场后接着又进入匀强磁场区域设电场和磁出电场后接着又进入匀强磁场区域设电场和磁 场区域有明确的分界线，且分界线与电场强度方场区域有明确的分界线，且分界线与电场强度方 向平行，如图向平行，如图358中的虚线表示在图所示中的虚线表示在图所示 的几种情况中，可能出现的是的几种情况中，可能出现的是() 图图358 解析：解析：选选ad。a、c选项中粒子在电场中向下选项中粒子在电场中向

11、下 偏转，所以粒子带正电，再进入磁场后，偏转，所以粒子带正电，再进入磁场后，a图图 中粒子应逆时针转，正确中粒子应逆时针转，正确c图中粒子应顺时图中粒子应顺时 针转，错误同理可以判断针转，错误同理可以判断b错，错，d对对 变式训练变式训练1如图如图3512为质谱仪的示意为质谱仪的示意 图速度选择部分的匀强电场场强图速度选择部分的匀强电场场强e1.2105 v/m，匀强磁场的磁感应强度为，匀强磁场的磁感应强度为b10.6 t偏偏 转分离器的磁感应强度为转分离器的磁感应强度为b20.8 t求：求： (1)能通过速度选择器的粒子速度有多大？能通过速度选择器的粒子速度有多大？ (2)质子和氘核进入偏转

12、分离器后打在底片上的质子和氘核进入偏转分离器后打在底片上的 条纹之间的距离条纹之间的距离d为多少？为多少？ 图图3512 答案：答案：(1)2105 m/s(2)5.210 3 m 回旋加速器的应用回旋加速器的应用 回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得 很大动能的仪器，其核心部分是两个很大动能的仪器，其核心部分是两个d形金属盒，形金属盒， 两盒分别和一高频交流电源两极相连，以便在盒两盒分别和一高频交流电源两极相连，以便在盒 间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝 都得到加速，两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂都得到加

13、速，两盒放在匀强磁场中，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源射出的粒子电荷量为q，质量为，质量为m，粒子最大回，粒子最大回 旋半径为旋半径为rm，其运动轨迹如图，其运动轨迹如图3513所示，问：所示，问： (1)盒中有无电场？盒中有无电场？ (2)粒子在盒内做何种运动？粒子在盒内做何种运动？ (3)所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？ (4)粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多 少？少？ (5)设两设两d形盒间电场的电势

14、差为形盒间电场的电势差为u，求加速到上述，求加速到上述 能量所需的时间能量所需的时间(不计粒子在电场中运动的时间不计粒子在电场中运动的时间) 图图3513 【规律总结】【规律总结】求解此题应注意以下两点：求解此题应注意以下两点： (1)交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相 同回旋加速器才能正常工作同回旋加速器才能正常工作 (2)根据匀速圆周运动知识求出粒子最大速度根据匀速圆周运动知识求出粒子最大速度 的表达式，再据此判断它与何物理量有关的表达式，再据此判断它与何物理量有关 变式训练变式训练3(2011年吉林市高二检测年吉林市高二检测)用回旋用回旋 加速器来加速质子，为了使质子获得的动能加速器来加速质子，为了使质子获得的动能 增加为原来的增加为原来的4倍，原则上可以采用下列哪几倍，原则上可以采用下列哪几 种方法种方法() a将其磁感应强度增大为原来的将其磁感应强度增大为原来的2倍倍 b将其磁感应强度增大为原来的将其磁感应强度增大为原来的4倍倍 c将将d形盒的半径增大为原来的形盒的半径增大为原来的2倍倍 d将将d形盒的半径增大为原来