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1、第一章 安培力与洛伦兹力4.质谱仪与回旋加速器教学目标CONTENT010203了解科学知识在现代仪器中的基本应用，提升科学素养掌握回旋加速器的工作原理及其应用掌握质谱仪的工作原理及其应用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？质谱仪一知能提升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。2.结构及作用：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粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场偏转磁场：使不同带电粒子偏
2、转分离照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径电离室加速电场偏转磁场照相底片速度选择器原理图012加速电场速度选择器3.原理：在偏转磁场中：4.作用：可测粒子的质量及比荷与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素=12 2=00=由于粒子的荷质比不同，则做圆周运动的半径也不同，因此打到不同的位置。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”产生这些高能“炮弹”的“工厂”就是各种各样的粒子加速器。直线加速器北京正负电子对撞机北京正负电子对撞机欧洲质子加速器斯坦福大学的加速器缺点：占地大能否设计一款占地小些
3、的加速器回旋加速器二知能提升1.回旋加速器的构造：（1）粒子源（2）两个D形盒（3）匀强磁场（4）交变电场说明：两D形盒中有匀强磁场无电场，盒间缝隙有交变电场2.回旋加速器的原理：电场 加速磁场 偏转获得高能粒子思考1：交变电场的周期多大呢？思考与交流思考与交流最大动能与加速电压无关，由盒的半径和磁感应强度决定.思考2：如何提高回旋加速器的加速性能呢？思考与交流：思考2：回旋加速器的局限性回旋加速器加速的带电粒子，能量达到2530MeV后，很难再加速了。原因是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度增加而增大，而质量的变化会导致其回转周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。原理图原理图典例精析
4、例1：如图所示，以两虚线为边界，中间存在平行纸面且与边界垂直的水平电场，宽度为d，两侧为相同的匀强磁场，方向垂直纸面向里.一质量为m、带电量+q、重力不计的带电粒子，以初速度v1垂直边界射入磁场做匀速圆周运动，后进入电场做匀加速运动，然后第二次进入磁场中运动，此后粒子在电场和磁场中交替运动.已知粒子第二次在磁场中运动的半径是第一次的二倍，第三次是第一次的三倍，以此类推.求：(1)粒子第一次经过电场的过程中电场力所做的功W1;(2)粒子第n次经过电场时电场强度的大小En;(3)粒子第n次经过电场所用的时间tn.典例精析电场d磁场粒子：质量为m、带电量+q运动：初速度为v1、Rn=nR1直接求解间
5、接求解(1)粒子第一次经过电场的过程中电场力所做的功W1;电场电场d磁场磁场粒子：质量为m、带电量+q运动：初速度为v1、Rn=nR1解析：(1)设粒子第n次进入磁场时的半径为Rn，速度为vn因为R2=2R1，所以v2=2v1.对粒子第一次在电场中运动的过程，由动能定理得：(2)粒子第n次经过电场时电场强度的大小En;(3)粒子第n次经过电场所用的时间tn.电场电场d磁场磁场粒子：质量为m、带电量+q运动：初速度为v1、Rn=nR1(2)粒子第n次进入电场时速度为vn，穿出电场时速度为vn+1，由题意知vn=nv1，vn+1=(n+1)v1由动能定理得(3)设粒子第n次在电场中运动的加速度为a
6、n,由牛顿第二定律得qEn=man代入解得：代入解得：由运动学公式得vn+1-vn=antn例2：利用电场和磁场，可以将比荷不同的离子分开，这种方法在化学分析和原子核技术等领域有重要的应用已知被加速的两种正离子的质量分别是m1和m2(m1m2),电荷量均为q.加速电场的电势差为U，离子进入电场时的初速度可以忽略.不计重力，也不考虑离子间的相互作用.(1)求质量为m1的离子进入磁场时的速度；(2)当磁感应强度大小为B时，求两种离子在GA边落点的间距s；加速电场加速电场狭缝狭缝GADCB解：(1)根据动能定理(2)根据洛伦兹力公式和牛顿第二定律可得S粒子源粒子源课堂小结一.质谱仪二.回旋加速器C跟
7、踪练习2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，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确的是（）A增大匀强电场间的加速电压B减小磁场的磁感应强度C减小周期性变化的电场的频率D增大D形金属盒的半径D3如图所示，回旋加速器D形盒的半径为R，用来加速质量为m、电量为q的质子，质子每次经过电场区时，都恰好在电压为U时被加速，且电场可视为匀强电场，使质子由静止加速到能量为E后，由A孔射出。下列说法正确的是（）AD形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，质子的能量E将越大B磁感应强度B不变，若加速电压U不变，D形盒半径R越大，质子的能量E将越大CD形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，质子在加速器中的运动时间将越长DD形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，质子在加速器中的运动时间将越短BD本节内容结束