324270高中物理課件（人教版2019選擇性）

第一章安培力與洛倫茲力1.4質(zhì)譜儀與回旋加速器人教版（2019）高中物理選擇性必修第一冊CONTENTS01質(zhì)

譜

儀0203目錄隨

堂

訓(xùn)

練回旋加速器

在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，常需要將一束帶等量電荷的粒子分開，以便知道其中所含物質(zhì)的成分。利用所學(xué)的知識，你能設(shè)計(jì)一個(gè)方案，以便分開電荷量相同、質(zhì)量不同的帶電粒子嗎？分開比荷不同的帶電粒子的方案猜想一：先用加速電場加速比荷不同的帶電粒子，再用勻強(qiáng)電場使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，從而把它們分開。原理圖如圖所示：U0LyUdm,q（1）先加速（2）再偏轉(zhuǎn)（類平拋運(yùn)動）由：得：縱向：橫向：得：由粒子的軌跡方程可知，粒子的軌跡與粒子的性質(zhì)無關(guān)，無法分開比荷不同的粒子。分開比荷不同的帶電粒子的方案猜想二：

先用加速電場加速比荷不同的帶電粒子，再用勻強(qiáng)磁場使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，從而把它們分開。原理圖如圖所示：（1）先加速（2）再偏轉(zhuǎn)(勻速圓周運(yùn)動）由：得：得：由粒子的軌道半徑表達(dá)式可知，比荷不同的帶電粒子的半徑不同，這種方法可以分開比荷不同的粒子。U0Bm,q01質(zhì)

譜

儀

安培力與洛倫茲力1、質(zhì)譜儀：利用磁場對帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，由帶電粒子的電荷量、軌道半徑確定其質(zhì)量的儀器。2、結(jié)構(gòu)及作用：①電離室：使中性氣體電離，產(chǎn)生帶電粒子②加速電場：使帶電粒子獲得速度③粒子速度選擇器：使具有相同速度的粒子進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場④偏轉(zhuǎn)磁場：使不同帶電粒子偏轉(zhuǎn)分離⑤照相底片：記錄不同粒子偏轉(zhuǎn)位置及半徑電離室加速電場偏轉(zhuǎn)磁場照相底片速度選擇器一、質(zhì)譜儀

加速電場速度選擇器3、原理：4、作用：①可測粒子的質(zhì)量及比荷②與已知粒子半徑對比可發(fā)現(xiàn)未知的元素和同位素加速電場U1：速度選擇器E，B：偏轉(zhuǎn)磁場B0：m不同，r

就不同

將質(zhì)量不等、電荷數(shù)相等的帶電粒子經(jīng)同一電場加速再垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場，由于粒子動量不同，引起軌跡半徑不同而分開，進(jìn)而分析某元素中所含同位素的種類。例1．質(zhì)譜儀是一種測定帶電粒子質(zhì)量或分析同位素的重要設(shè)備，它的構(gòu)造原理如圖所示。離子源S產(chǎn)生的各種不同正離子束（速度可視為零），經(jīng)MN間的加速電壓U加速后從小孔S1垂直于磁感線進(jìn)入勻強(qiáng)磁場，運(yùn)轉(zhuǎn)半周后到達(dá)照相底片上的P點(diǎn)。設(shè)P到S1的距離為x，則（）A．只要x相同，對應(yīng)的離子質(zhì)量一定相同B．只要x相同，對應(yīng)的離子電荷量一定相同C．若離子束是同位素，則x越大對應(yīng)的離子質(zhì)量越大D．若離子束是同位素，則x越大對應(yīng)的離子質(zhì)量越小C

例2、如圖所示，a、b、c、d為四個(gè)正離子，電量相等，速度大小關(guān)系為va＜vb=vc＜vd，質(zhì)量關(guān)系為ma=mb＜mc=md，同時(shí)沿圖示方向進(jìn)入粒子速度選擇器后，一粒子射向P1板，一粒子射向P2板，其余兩粒子通過速度選擇器后，進(jìn)入另一磁場，分別打在A1和A2兩點(diǎn)。則射到P1板的是____粒子，射到P2板的是___粒子，打在A1點(diǎn)的是____粒子，打在A2點(diǎn)的是____粒子。adcb例3.對鈾235的進(jìn)一步研究在核能的開發(fā)和利用中具有重要意義。如圖所示，質(zhì)量為m、電荷量為q的鈾235離子，從容器A下方的小孔S1不斷飄入加速電場，其初速度可視為零，然后經(jīng)過小孔S2垂直于磁場方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動。不考慮離子重力及離子間的相互作用．（1）求加速電場的電壓U；（2）實(shí)際上加速電壓的大小會在U±△U范圍內(nèi)微小變化．若容器A中有電荷量相同的鈾235和鈾238兩種離子，如前述情況它們經(jīng)電場加速后進(jìn)入磁場中會發(fā)生分離，為使這兩種離子在磁場中運(yùn)動的軌跡不發(fā)生交疊，應(yīng)小于多少？（結(jié)果用百分?jǐn)?shù)表示，保留兩位有效數(shù)字）思路導(dǎo)引：（1）根據(jù)鈾235離子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動時(shí)洛倫茲力提供向心力，列出動力學(xué)方程；再根據(jù)動能定理，列出電場加速過程的功能關(guān)系，即可求解。離子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動：電場加速過程的功能關(guān)系：（2）根據(jù)向心力公式求出半徑R的表達(dá)式，進(jìn)而表示出鈾235離子在磁場中最大半徑和鈾238離子在磁場中的最小半徑，要使兩種離子在磁場中運(yùn)動的軌跡不發(fā)生交疊，則鈾235離子在磁場中最大半徑小于鈾238離子在磁場中的最小半徑，進(jìn)而求解。設(shè)m′為鈾238離子的質(zhì)量，由于電壓在U±△U范圍內(nèi)微小變化，鈾235離子在磁場中最大半徑為：鈾238離子在磁場中最小半徑為：這兩種離子在磁場中運(yùn)動的軌跡不發(fā)生交疊的條件為：Rmax＜Rmin

即：則有：故：即：02回旋加速器

安培力與洛倫茲力1．加速原理：利用加速電場對帶電粒子做正功使帶電粒子的動能增加，qU=

Ek．2．直線加速器，多級加速如圖所示是多級加速裝置的原理圖：(一)、直線加速器

由動能定理得帶電粒子經(jīng)n極的電場加速后增加的動能為：

3．直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制．二、回旋加速器有的長達(dá)幾十千米，坐落在兩個(gè)城市之間……直線加速器多級直線加速器應(yīng)具備的條件：①利用電場加速帶電粒子；②通過多級加速獲得高能粒子；③加速電場以外的區(qū)域靜電屏蔽，粒子勻速；④采用交變電源提供加速電壓；了解勞倫斯

勞倫斯(ErnestOrlandoRawrence)是美國著名物理學(xué)家、回旋加速器的發(fā)明者，1901年8月8日出生于美國達(dá)科他州南部的坎頓，是一個(gè)教書世家，其祖父及父母都是教師，他年僅30歲就聞名于全世界。1930年，勞倫斯受聘于伯克利加利福尼亞大學(xué)擔(dān)任物理學(xué)教授。為了研究核物理，勞倫斯提出一種使粒子作曲線運(yùn)動并同時(shí)加速的方案。因人工放射性方面的成果于1939年獲諾貝爾物理學(xué)獎。1940年，勞倫斯成為麻省理工學(xué)院內(nèi)的另一輻射實(shí)驗(yàn)室的美國物理學(xué)家之一。在他的實(shí)驗(yàn)室中工作過的人，有八人獲諾貝爾獎的殊榮，其中四人是勞倫斯的徒弟或低級合作者，另外四人則是以別的方式同“輻射實(shí)驗(yàn)室”有聯(lián)系的。

此加速器可將質(zhì)子和氘核加速到1MeV的能量，為此1939年勞倫斯獲得諾貝爾物理學(xué)獎.1932年勞倫斯研制第一臺回旋加速器的D型室.1．回旋加速器：1932年美國物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實(shí)現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)進(jìn)行多級加速．利用電場對帶電粒子的加速作用和磁場對運(yùn)動電荷的偏轉(zhuǎn)作用來獲得高能粒子的裝置。(二)、回旋加速器2、結(jié)構(gòu)及作用：①兩個(gè)大磁極：在帶電粒子運(yùn)動范圍內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的勻強(qiáng)磁場，使帶電粒子做勻速圓周運(yùn)動。②兩個(gè)D形扁平銅盒：使D形盒內(nèi)部有磁場沒有電場。使帶電粒子的圓周運(yùn)動不受電場影響。③D形盒間的窄縫：使帶電粒子在這一區(qū)間被電場加速。④交變電場：交變電場的周期等于粒子做勻速圓周運(yùn)動的周期。使帶電粒子在D形盒間的窄縫被加速。接高頻電源狹縫原理圖粒子源

3、工作原理：①帶電粒子在D形盒中運(yùn)行的周期：（1）加速條件②每過電場方向要改變一次，以保證帶電粒子始終被加速。③電場的變化周期要等于粒子的運(yùn)動周期：3、原理：（2）粒子最大動能：（離開半徑與D形盒半徑相同）

對某種粒子q、m一定，粒子獲得的最大動能由磁感應(yīng)強(qiáng)度B和回旋加速器的半徑R決定，與加速度電壓的大小無關(guān)。3、原理：（3）回旋加速器不可無限加速。改進(jìn)：1.在磁場中做圓周運(yùn)動,周期不變2.每一個(gè)周期加速兩次3.電場的周期與粒子在磁場中做圓周運(yùn)動周期相同4.電場一個(gè)周期中方向變化兩次5.粒子加速的最大速度由盒的半徑?jīng)Q定6.電場加速過程中,時(shí)間極短,可忽略4.回旋加速器的特點(diǎn)回旋加速器費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室環(huán)形加速器——美國伊利諾依州法國東南部格勒諾布爾我國于1994年建成的第一臺強(qiáng)流質(zhì)子加速器，可產(chǎn)生數(shù)十種中短壽命放射性同位素.3．回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電極相連接的兩個(gè)D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的電場，使粒子在通過狹縫時(shí)都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場中，如圖所示，要增大帶電粒子射出時(shí)的動能，則下列說法中正確的是（）A．增大勻強(qiáng)電場間的加速電壓B．減小磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度C．減小周期性變化的電場的頻率D．增大D形金屬盒的半徑D例３.例4．如圖所示，回旋加速器D形盒的半徑為R，用來加速質(zhì)量為m，電量為q的質(zhì)子，質(zhì)子每次經(jīng)過電場區(qū)時(shí)，都恰好在電壓為U時(shí)被加速，且電場可視為勻強(qiáng)電場，使質(zhì)子由靜止加速到能量為E后，由A孔射出。下列說法正確的是（）A．D形盒半徑R、磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，若加速電壓U越高，

質(zhì)子的能量E將越大B．磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，若加速電壓U不變，D形盒半徑R越大，

質(zhì)子的能量E將越大C．D形盒半徑R、磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，若加速電壓U越高，

質(zhì)子在加速器中的運(yùn)動時(shí)間將越長D．D形盒半徑R、磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，若加速電壓U越高，

質(zhì)子在加速器中的運(yùn)動時(shí)間將越短BD例5.回旋加速器的工作原理如圖1所示，置于真空中的D形金屬盒半徑為R，兩盒間狹縫的間距為d，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場與盒面垂直，被加速粒子的質(zhì)量為m、電荷量為＋q，加在狹縫間的交變電壓如圖2所示，電壓值的大小為U0，周期T＝。一束該種粒子在t＝0時(shí)刻從A處均勻地飄入狹縫，其初速度視為零。現(xiàn)考慮粒子在狹縫中的運(yùn)動時(shí)間，假設(shè)能夠出射的粒子每次經(jīng)過狹縫均做加速運(yùn)動，不考慮粒子間的相互作用。求：(1)出射粒子的動能Em；(1)粒子的速度增大軌道半徑增大，當(dāng)粒子的軌道半徑等于D形金屬盒半徑為R時(shí)，粒子的動能最大，根據(jù)此時(shí)洛倫茲力提供向心力即可求得最大速度。

離子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動：又：(2)粒子在回旋加速器中運(yùn)動的總時(shí)間。思路導(dǎo)引：（2）粒子運(yùn)動存在于兩個(gè)空間，一是狹縫間電場力使之做勻加速運(yùn)動，二是D形金屬盒中洛倫茲力使之做勻速圓周運(yùn)動。粒子在狹縫間的運(yùn)動可等效成連續(xù)的勻加速直線運(yùn)動，根據(jù)最大動能可求得加速的時(shí)間；根據(jù)最大動能可求得加速的次數(shù)，從而求得粒子做完整圓周運(yùn)動的次數(shù)，進(jìn)而求得粒子圓周運(yùn)動的時(shí)間。思路導(dǎo)引：所以粒子運(yùn)動的總時(shí)間：設(shè)粒子被加速n次達(dá)到動能Em則Em＝nqU0，解得

粒子在狹縫間的運(yùn)動可等效成勻加速直線運(yùn)動，設(shè)n次經(jīng)過狹縫的總時(shí)間為Δt粒子做圓周運(yùn)動的總時(shí)間則：又：即：03隨

堂

訓(xùn)

練

安培力與洛倫茲力1．如圖是質(zhì)譜儀工作原理示意圖。帶電粒子a、b從容器中的A點(diǎn)飄出（在A點(diǎn)初速度為零），經(jīng)電壓U加速后，從x軸坐標(biāo)原點(diǎn)處進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，最后分別打在感光板S上，坐標(biāo)分別為x1、x2。圖中半圓形虛線分別表示帶電粒子a、b所通過的路徑，則（）A．b進(jìn)入磁場的速度一定大于a進(jìn)入磁場的速度B．a(chǎn)的比荷一定小于的b比荷C．若a、b電荷量相等，則它們的質(zhì)量之比D．若a、b質(zhì)量相等，則在磁場中運(yùn)動時(shí)間之比C隨堂練習(xí)2．質(zhì)譜儀是測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具。如圖所示為質(zhì)譜儀的原理示意圖，現(xiàn)利用質(zhì)譜儀對氫元素進(jìn)行測量。讓氫的三種同位素的離子流從容器A下方的小孔S無初速度飄入電勢差為U的加速電場，加速后垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中、氫的三種同位素分別為氕（即為質(zhì)子）、氘（質(zhì)量約為質(zhì)子的2倍，電荷量與質(zhì)子相同）、氚（質(zhì)量約為質(zhì)子的3倍，電荷量與質(zhì)子相同），最后打在照相底片D上，形成a、b、c三條“質(zhì)譜線”。則下列判斷正確的是（）A．進(jìn)入磁場時(shí)速度從大到小排列的順序是氕、氘、氚B．進(jìn)入磁場時(shí)動能從大到小排列的順序是氕、氘、氚C．在磁場中運(yùn)動時(shí)間由大到小排列的順序是氕、氘、氚D．a(chǎn)、b、c三條“質(zhì)譜線”依次排列的順序是氕、氘、氚A隨堂練習(xí)3．質(zhì)譜儀的原理如圖所示，由加速電場和偏轉(zhuǎn)磁場組成，虛線AD上方區(qū)域存在垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場。同位素離子源產(chǎn)生a、b兩種電荷量相同的離子，無初速度進(jìn)入加速電場，經(jīng)同一電壓加速后，垂直進(jìn)入磁場，a離子恰好打在C點(diǎn)，b離子恰好打在D點(diǎn)。離子重力不計(jì)。則（）A．兩個(gè)離子均為負(fù)離子 B．a(chǎn)離子質(zhì)量比b離子質(zhì)量小C．a(chǎn)、b離子在磁場中的運(yùn)動時(shí)間相等 D．若增大加速電場的電壓U，則兩離子在偏轉(zhuǎn)磁場中運(yùn)動的半徑都變大BD隨堂練習(xí)4．如圖所示，為回旋加速器的原理圖.其中D1和D2是兩個(gè)中空的半徑為R的半圓形金屬盒，接在電壓為U的加速電源上，位于D2圓心處的粒子源A能不斷釋放出一種帶電粒子（初速度可以忽略，重力不計(jì)），粒子在兩盒之間被電場加速，D1、D2置于與盒面垂直的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中。已知粒子電荷量為q、質(zhì)量為m，忽略粒子在電場中運(yùn)動的時(shí)間，不考慮加速過程中引起的粒子質(zhì)量變化，下列說法正確的是（）A．加速電源可以用直流電源，也可以用任意頻率的交流電源B．加速電源只能用周期為的交流電源C．粒子第一次進(jìn)入D1盒與第一次進(jìn)入盒D2的半徑之比為1:2D．粒子在電場中