第4節(jié)

質(zhì)譜儀與回旋加速器第一章人教版（2019）選擇性必修二CONTENTS目錄質(zhì)譜儀01回旋加速器02帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運動的半徑與質(zhì)量有關(guān)，如果B、v相同，m不同，則r不同，這樣就可以把不同的粒子分開。以便進(jìn)一步分析其中所含物質(zhì)的成分。本節(jié)課我們來認(rèn)識兩種分析物質(zhì)成分經(jīng)常用到的儀器：質(zhì)譜儀和回旋加速器。新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)隨堂練習(xí)布置作業(yè)1.原理：如圖所示，帶電粒子經(jīng)加速電場加速后垂直于磁場方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場，最后打在照相底片上，不同質(zhì)量的粒子打在照相底片上位置不同。

2.電離室：使中性氣體電離，產(chǎn)生帶電粒子一、質(zhì)譜儀（初代）新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)應(yīng)用：測定帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素1、質(zhì)譜儀分析同位素電荷量相同，質(zhì)量不同的同位素，經(jīng)同一電場U0加速后，經(jīng)S3孔進(jìn)入勻強(qiáng)磁場，由于其圓周運動的軌道半徑不同，就會打在照相底片D的不同位置，出現(xiàn)一系列的譜線（叫作質(zhì)譜線）。例如：氕、氘、氚三種同位素（q相同，m不同）新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)2、質(zhì)譜儀測粒子的比荷、質(zhì)量①測比荷：

（只需知道U0、r和B，即可求出比荷）②測質(zhì)量：rD新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)思考：初速度不等于0的話，結(jié)果怎樣？弊端：初速度不等于0的話，區(qū)別不開。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)電離室加速電場偏轉(zhuǎn)磁場照相底片質(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。粒子速度選擇器：使具有相同速度的粒子進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場質(zhì)譜儀（升級版）新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)

例1.

質(zhì)譜儀原理如圖所示，a為粒子加速器，電壓為U1；b為速度選擇器，磁場與電場正交，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，板間距離為d；c為偏轉(zhuǎn)分離器，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2。今有一質(zhì)量為m、電荷量為＋e的正電子(不計重力)，經(jīng)加速后，該粒子恰能通過速度選擇器，粒子進(jìn)入分離器后做半徑為R的勻速圓周運動。求：（1）粒子射出加速器時的速度v為多少？（2）速度選擇器的電壓U2為多少？（3）粒子在B2磁場中做勻速圓周運動的半徑R為多大？隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)布置作業(yè)解析：（1）在a中，e被加速電場U1加速，由動能定理有，得（2）在b中，e受的電場力和洛倫茲力大小相等，即，代入v值得（3）在c中，e受洛倫茲力作用而做圓周運動，回轉(zhuǎn)半徑，代入v值得隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)布置作業(yè)

想要研究原子的結(jié)構(gòu)，我們就需要“打開”原子核的高能“炮彈”，而加速器就是制造高能“炮彈”的“工廠”。

在研究電場時，我們知道可以利用靜電力對帶電粒子做功增加粒子的能量，即,電壓越高粒子增加的能量越大。但有一個技術(shù)問題就是如何產(chǎn)生高壓？

為了解決這一技術(shù)難題，我們想到了“多級加速”，也就是直線加速器，但設(shè)備太長。二、回旋加速器新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)

能否把加速電場盤起來，像水管或者電線一樣，節(jié)省空間呢？

設(shè)電子進(jìn)入第n個圓筒后的速度為v，根據(jù)動能定理有：得第n個圓筒的長度為

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。有沒有什么辦法改進(jìn)？新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)實驗演示：回旋加速器原理及構(gòu)造回旋加速器的構(gòu)造：（1）粒子源（2）兩個D形盒（3）勻強(qiáng)磁場（4）交變電場說明：兩D形盒中有勻強(qiáng)磁場無電場，盒間縫隙有交變電場回旋加速器：利用電場對帶電粒子的加速作用和磁場對運動電荷的偏轉(zhuǎn)作用來獲得高能粒子的裝置。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)思考1：兩個D形盒之間縫隙的電場方向應(yīng)該如何變換呢？接高頻電源狹縫粒子源

如果在兩盒間加一個交變電場，使它也以同樣的周期往復(fù)變化，那就可以保證粒子每經(jīng)過電場區(qū)域時，都正好趕上適合的電場方向而被加速。帶電粒子在D形盒中運行的周期：每過

電場方向要改變一次，以保證帶電粒子始終被加速。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)思考2：粒子在磁場區(qū)域的運動周期和交變電場的周期？接高頻電源狹縫粒子源

①粒子做勻速圓周運動的周期：粒子在每個D形盒中運動的時間：②加速電場的周期：新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)接高頻電源狹縫粒子源

思考3：帶電粒子在回旋加速器中加速，最終能達(dá)到多大的速度呢？這個最大速度與加速電壓的大小有關(guān)系嗎？粒子每次被加速后，速度v增加，由

可知：粒子在D形盒中運動的半徑r越來越大。因D形盒的體積有限，當(dāng)軌跡半徑r達(dá)到D形盒最大半徑R時，需要把粒子從D形盒引出，此時，粒子速度達(dá)到最大。可見：粒子能獲得的最大速度與加速電壓大小無關(guān)。想一想：加速電壓的大小會影響什么呢?注意：粒子的最大動能：新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)思考4：帶電粒子被加速的次數(shù)與加速電壓的大小之間有什么關(guān)系呢？加速電壓越大，每次速度增量越大，半徑r增加得越快，加速次數(shù)越少。加速電壓越小，每次速度增量越小，半徑r增加得越慢，加速次數(shù)越多。思考5：增大D形的半徑R，粒子能獲得的最大速度就增大，那么是不是只要不斷增大D形盒的半徑，就可以使粒子速度無限制增大呢？加速電壓的大小只影響加速的次數(shù)，不影響最終速度。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)【學(xué)以致用1】用回旋加速器來加速質(zhì)子，為了使質(zhì)子獲得的動能增加為原來的4倍，原則上可以采用下列哪幾種方法()A．將其磁感應(yīng)強(qiáng)度增大為原來的2倍B．將其磁感應(yīng)強(qiáng)度增大為原來的4倍C．將D形盒的半徑增大為原來的2倍D．將D形盒的半徑增大為原來的4倍答案：AC隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)布置作業(yè)【學(xué)以致用2】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動時間，假設(shè)能夠出射的粒子每次經(jīng)過狹縫均做加速運動，不考慮粒子間的相互作用。求：(1)出射粒子的動能Em；(2)粒子在回旋加速器中運動的總時間。隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)布置作業(yè)解：1、離子在磁場中做勻速圓周運動：又：所以粒子運動的總時間：(2)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動可等效成勻加速直線運動，設(shè)n次經(jīng)過狹縫的總時間為Δt粒子做圓周運動的總時間則：又：知識拓展：通常情況下，R》d，也就是粒子加速的時間與粒子做圓周運動的時