1.4+质谱仪与回旋加速器（培优教学课件）物理人教版选择性必修第二册

人教版选择性必修第二册第一章安培力与洛仑磁力4质谱仪与回旋加速器为了便于存取，超市不同种类的豆子是分开存放太阳每天都会向我们地球发射大量的带电粒子为了了解这些粒子都是什么种类的粒子，我们也需要将这些粒子分开来研究。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?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。

导入新课物理观念了解质谱仪和回旋加速器的工作原理，会分析质谱仪区分同位素的原因。科学思维经历质谱仪工作原理的推导过程，体会逻辑推理的思维方法。科学探究探究速度选择器、质谱仪和回旋加速器的工作原理，探究分析回旋加速器最大动能的表达式。科学态度与责任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，了解改革创新的过程。

学习目标重点1.质谱仪工作原理及装置改进。2.回旋加速器的原理与粒子最大动能的

决定因素。难点1.粒子在回旋加速器中的运动过程分析。2.带电粒子最大动能表达式的推理。重点难点质谱仪2.

回旋加速器课堂总结

练习与应用第4节质谱仪与回旋加速器学习内容第4节质谱仪与回旋加速器一、质谱仪思考讨论：如何分开电量相同而质量不同的带电粒子利用电场方案一：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：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。一

、质谱仪(2)再偏转(类平抛运动)还有其他方案吗?(1)先加速X=V·t由粒子的轨道半径表达式可知，比荷不同

的带电粒子的半径不同，这种方法可以分开比荷不同的粒子。思考讨论：如何分开电量相同而质量不同的带电粒子

利用电场和磁场方案二：先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用磁场分离(1)先加速由：

得

：(2)再偏转(匀速圆周运动)一

、质谱

仪得

：19世纪末，弗朗西斯·威廉阿斯顿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。一、质谱仪弗朗西斯·威廉·

阿斯顿

Francis

William

Aston质谱仪1.质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、

轨道半径确定其质量的仪器。加速电场2.结构及作用：①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子照相底片②加速电场：使带电粒子获得速度③粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场④偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离⑤照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径电离室Bi×偏转磁场②速度选

择器一、质谱仪同位素的电荷量相同，但质量有微小差别。由关系式可知，m

不同，x就会不同，即在照相底片上会打到不同的位置，出现一系列不同的谱线。质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具电场加速：磁场偏转：x=2r一、质谱仪3.质谱仪的工作原理4.作用：①可测粒子的质量及比荷未知的元素对应了不同种类的原子，我们该如何去研究不同的原子组成成分呢?同位素加速电场U₁:②与已知粒子偏转磁场B:一

、质

谱

仪偏转的距离为x电荷量相同，质量不同的同位素，经同一电场U₀

加速后，经S₃孔进入匀强磁场，由于其圆周运动

的轨道半径不同，就会打在照相底片D的不同位置，

出现一系列的谱线(叫作质谱线)。.pngm气：m:

例如：气、氘、氚三种同位素(q

相同，m

不同)一、质谱仪思考与讨论例题1:同一种带电粒子以不同的速度垂直磁场便捷、垂直磁感线射入匀强磁场中，其运动轨迹如图所示，则可知：(1)带电粒子进入磁场的速度值有几个?3(2)这些速度的大小关系为?

V₁<v₂<v₃(3)三束粒子从0点出发分别到达1、2、3点所用时间的大小关系是?t₁=t₂=t₃一、质谱仪第4节质谱仪与回旋加速器二、回旋加速器思考：如何产生极高能量的粒子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?粒子加速器

粒子加速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?二、回旋加速器第

n

个圆筒的长度为缺点：多级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。设电子进入第n

个圆筒后的速度为v,根据动能定理有：二、回旋加速器一级

三级

n级如何设计一种既能实现多次加速，又可以减少占地空间的加速器呢?二、回旋加速器欧洲强子对撞磁场加速器斯坦福大学的加速器如果带电粒子在一次加速后又转回来被第二次加速，如此往复

“转圈圈”式地被加速，加速器装置所占的

空间就会大大缩小。而磁场正好能使带电粒子“转圈

圈”,于是，人们依据这个思路设计出了用磁场控制

轨道、用电场进行加速的回旋加速器。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。二、回旋加速器1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室.接交流电源1.回旋加速器的结构及作用①两个大磁极：在带电粒子运动范围内产生很强的匀强

磁场，使带电粒子做匀速圆周运动。②两个D形盒：D形盒内部有磁场没有电场。使带电粒

子的圆周运动不受电场影响。③D

形盒间的窄缝：

使带电粒子在这一

区间被电场加速。④交变电场：交变电场的周期等于粒子做匀速圆周运动

的周期。使带电粒子在D形盒间的窄缝被加速。二、回旋加速器接交流电源2.回旋加速器的工作原理①磁场的作用是什么?写出粒子进入磁场后半径表达式?周期?粒子磁场的作用是使带电粒子回旋，电场的作用是使带电粒子加速。二、回旋加速器周期与粒子的速度无关在磁场中运动特点?径如果在两盒间加一个交变电场，使它也以同样的周期往复变化，那就可以保证粒子每经过电场区

域时，都正好赶上适合的电场方向而被加速。思考：两个D形盒之间缝隙的电场方向应该如何变换呢?一个周期，加速两次二、回旋加速器与粒子速度

大小无关电场的周期：u3.决定粒子射出D形盒时最大速率的因素：当粒子从D形盒边缘引出时，最后半圆应满足：

每次△v次数多

长粒子的动能与加速电压无关，与D

型盒的半径有关二、回旋加速器R

有关，而与加速电压U

无关)U

每次△v4.带电粒子的最终能量次数少

t短即(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。6.轨道半径带电粒子在D

形金属盒内运动的轨道半径是不等距分布的，粒子第一次进入D形金属盒Ⅱ,被加速一次，以后每次进入D形盒Ⅱ都被加速两次，粒子第n次进入D形盒Ⅱ时，已经被加速(2n+1)

次，带电粒子在D形盒内任意两个相邻的圆形轨道半径之比：5.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二、回旋加速器这个过程看似可以一直进行下去，但实际上由于相对论的效应，粒子的质量会随着速度增，圆周运动的周期也增加，这样电场于

运动不再同步，也就没办法加速了。二、回旋加速器种粒子都得调整交变电流周期=9BR

速度与D型盒半径以及磁感应强度有关，与U无关

动能与D

型盒半径以及磁感应强度有关，与U

无关加速次数与D

型盒半径、磁感应强度、电压U

有关磁场时间与D

型盒半径、磁感应强度、电压U

有关电场时间与缝间距、D

型盒半径、磁感应强度、电压U

有关4.一共加速次数：5.磁场运动时间：6.电场运动时间：1.交变电流周期：2.粒子时的速度：3.离开时的动能：二、回旋加速器回旋加速器的几个常用结论在磁场中运动的周期等于交变电源的周期，下列说法正确的是(BCA.

粒子由加速器的边缘进入加速器B.

质子的最大速度不超过2

πRfC.

质子的最大动能与U

无关D.

粒子在狭缝和D形盒中运动时都能获得加速练习2:

如图为回旋加速器示意图，两个靠得很近的D

形金属盒处在与盒面垂直的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B,已知D形盒的半径为R,高频交变电源的电压为U、

频率为f,

质子质量为m,

电荷量为q,

已知质子二、回旋加速器第4节质谱仪与回旋加速器三、课堂总结一

.质谱仪二.回旋加速器qvB=mV²

v

B

aq四、课堂总结第4节质谱仪与回旋加速器四、练习与应用1.如图所示，质量为m、电荷量为q的粒子，从容器A下方的小孔S₁

飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为0,然后经过S₃沿着与磁场垂直的方向进入

磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D

上。则粒子在磁场中做匀D速圆周运动的轨道半径为(D)虚线分别表示带电粒子a、b所通过的路径，则(C)A.b

进入磁场的速度一定大于a进入磁场的速度B.a

的比荷一定小于的b比荷C.

若a、b电荷量相等，则质量之比为D.a、b

在磁场中运动时间之比ta:tb=x1:x22.如图是质谱仪工作原理示意图。带电粒子a、b从容器中的A点飘出(在A点初速度为零),经电压U加速后，从x轴坐标原点处进入磁感应强度为B

的匀强磁场，最后分别打在感光板S上，坐标分别为x1、x2。图中半圆形3.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D形金属盒，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D形金属

盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示。现要增大带电粒子

从回旋加速器射出时的动能，下列方法可行的是(D)A.减小磁场的磁感应强度B.减小狭缝间的距离C.

增大高频交流电压D.

增大金属盒的半径四、练习与应用电源的频率为f。

已知元电荷为e。

下列说法正确的是(

D)A.D形盒可以用玻璃制成B.

氚核的质量为C.

高频电源的电压越大，氚核从P处射出时的速度越大D.

若

对

氦

核(

2He)加速，则高频电源的频率应调为4.

某回旋加速器的示意图如图所示，两个半径均为R的D形盒置于磁感应强度大小为B的匀强磁场中，并与高频电源两极相连，

现

对

氚

核(³H,

质量数为3,电荷数为1)加速，所需的高频