高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器教课内容课件ppt

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器教课内容课件ppt，共17页。
1.原理图:如图所示。 
2.加速:带电粒子进入质谱仪的加速电场,由动能定理得①　　　    = mv2。
3.偏转:带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力:②　     = 。
4.结论:r=③　　　    。测出粒子的轨迹半径r,可算出粒子的质量m或比荷 。
5.应用:可以测定带电粒子的质量和分析④　 　    。知识拓展　由于从容器A下方小孔进入加速电场的带电粒子实际上有一定的初速 度,会使直接进入偏转磁场的带电粒子速度不同,从而带来测量误差。为使进入偏 转磁场的带电粒子速度更唯一,测量更准确,现在的质谱仪在S2与S3之间增加了速度 选择器。在速度选择器中,带电粒子在电场力和洛伦兹力的作用下平衡,做匀速直线运动,有 qE=qvB1,则v= 。
1.构造图:如图所示。 
2.核心部件:两个金属⑤　　　    。3.原理:高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期⑥　     ,粒子每经过一次加速,其轨道半径就大一些,粒子做圆周运动的周期⑦　     。
4.最大动能:由qvB= 和Ek= mv2得Ek= (R为D形盒的半径),即粒子在回旋加速器中获得的最大动能与q、m、B、R有关,与加速电压无关。导师点睛    磁场、电场的作用(1)磁场的作用:带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场时,只在洛伦兹力 作用下做匀速圆周运动,其中周期与速率和半径无关,使带电粒子每次进入D形盒 中都能运动相等时间(半个周期)后,平行于电场方向进入电场中加速。(2)电场的作用:回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化并垂直 于两D形盒正对截面的匀强电场,带电粒子经过该区域时被加速,速度变大。
判断正误，正确的画“ √” ，错误的画“ ✕” 。
1.质谱仪是一种精密仪器,是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。 (　　)2.从粒子打在质谱仪底片上的位置可以测出半圆周轨迹的半径,进而可以算出粒 子的比荷或算出粒子的质量。 (　　)3.回旋加速器的加速电压越高,带电粒子获得的最终动能越大。 (　　)4.回旋加速器的加速条件是:带电粒子在磁场中的运动周期等于加速电压的周期。  (　　)5.随着粒子速度的增加,回旋加速器两盒间缝隙处电势差的正负改变应该越来越 快,以便能使粒子在缝隙处刚好被加速。 (　　)
情境    质谱仪是一种利用质谱分析测量离子比荷、带电粒子质量和分析同位素的 重要仪器。图1、图2分别为两种型号的质谱仪构造原理图,其中图1所示质谱仪主 要由加速电场、偏转磁场、照相底片组成,图2所示质谱仪主要由加速电场、静电 分析器、磁分析器、照相底片组成。 
1.若将大量某种元素的原子核放入图1所示型号的质谱仪中,可以在照相底片上发 现三条谱线,能说明什么?
提示:该种元素存在同位素。
2.若将某种带电粒子放入图2所示型号的质谱仪中,可以得到如图2中虚线所示的运 动轨迹,能否根据该轨迹确定此种带电粒子的电性以及加速电场中M、N板电势的 高低?
提示:能。根据左手定则可知该种带电粒子带正电;带正电的粒子在加速电场中受 到的电场力向右,所以电场线方向向右,则M板为正极,M板的电势高于N板电势。
3.试结合图1、图2,简述两种质谱仪的工作原理。
提示:图1:让带电粒子从容器A下方的小孔S1飘入(初速度几乎为零)加速电场,加速 后的粒子经过S3沿着垂直于磁场的方向进入匀强磁场中,最后打在照相底片上;图2: 让带电粒子由静止开始经过加速电场加速后,沿中心线通过静电分析器,垂直边界 进入磁分析器,最后打到照相底片上。
　质谱仪的工作原理　　质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。现以下图为例说明 其结构和工作原理。 　　(1)容器A中含有大量电荷量相同而质量有微小差别的带电粒子,从下方小孔S1 飘出时,这些带电粒子的初速度可认为都为零。
　　(2)对某个质量为m、电荷量为q的带电粒子进行分析:经过S1和S2之间电势差为 U的电场加速后,由qU= mv2可求得其从S2射出时的速度为v= 。该粒子进入磁场后,在洛伦兹力作用下做圆周运动。由qvB= 可求得其轨迹半径r= ,将v= 代入可得r= =  。　　(3)由r的表达式可知,电荷量相同而质量不同的带电粒子将沿不同轨迹做圆周 运动,经过半个圆周打在照相底片D上的不同位置,质量越大的带电粒子轨迹半径 越大,质量越小的轨迹半径越小。a.如果已知q、U、B2,又测出其半径r,可求得带电粒子的质量m= ,或求得其比荷 = 。
b.对质量有微小差别的同位素,因q相同、m不同,也可区别、分离出来。在底片上 形成的若干谱线状的细条,称为质谱线。
     　　如图是质谱仪的工作原理示意图,带电粒子被加速电场加速后,进入速度选择 器,速度选择器内匀强磁场的磁感应强度为B,匀强电场的电场强度为E。平板S上 有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的照相底片A1A2,平板S下方有磁感应强度 为B0的匀强磁场。现有大量的质子 H)、氘核 H)和α粒子 He)【1】以不同的初速 度进入加速电场上端,经狭缝P沿如图轨迹打在照相底片A1A2上的M点和N点,最后 在照相底片上出现了两条亮条纹【2】。忽略粒子重力和粒子间相互作用。关于该 过程,下列表述正确的是 (　　)
 A.一定只有两种粒子经过速度选择器后进入了下方磁场B.三种粒子通过加速电场的过程中电场力做功相等C.N处条纹是质子打到照相底片上形成的D.P、N间的距离是M、N间的距离的两倍
信息提取    【1】可知质子 H)、氘核 H)和α粒子 He)的电荷量、比荷的关系;【2】进入磁场后有两条运动轨迹。
思路分析    根据电场力做功公式W=qU【3】分析粒子通过加速电场过程中电场力做 功情况,根据速度选择器原理【4】分析进入磁场时的速度,根据牛顿第二定律【5】分析 轨迹圆半径。
解析    带电粒子在加速电场中被加速,电场力做正功,有W=qU(由【3】得到),三种 粒子的电荷量不同(由【1】得到),则三种粒子通过加速电场的过程中电场力做功 不相等,B错误;进入速度选择器,沿直线运动的粒子满足qE=qvB(由【4】得到),得v=  ,因三种粒子进入加速电场前的初速度不同,则三种粒子从加速电场飞出时速度都有可能为v= ,三种粒子都可能通过速度选择器进入下方磁场(由【1】【2】得到);进入偏转磁场,有qvB0=m (由【5】得到),得r= = ,所以粒子打在照相底片上的位置只与粒子的比荷有关,照相底片上两条亮条纹可能是三种粒子打在照 相底片上形成的,故A错误;粒子打在照相底片上的位置与狭缝P的距离d=2r=2×  ,与粒子的比荷成反比,则N处条纹是质子打到照相底片上形成的,C正确;P、M间距离是P、N间距离的两倍,则P、N间的距离等于M、N间的距离,D错误。故选C。
　交变电压的周期带电粒子做匀速圆周运动的周期T= ,与速率、轨迹半径均无关,运动相等的时间(半个周期)后进入电场,为了保证带电粒子每次经过狭缝时都被加速,须在狭缝 两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压,所以交变电压的周期也 与粒子的速率、轨迹半径无关,由带电粒子的比荷和磁场的磁感应强度决定。
　带电粒子的最终能量由r= 知,当带电粒子的运动半径最大时,其速度也最大,若D形盒半径为R,则带电粒子的最终动能Ekm= ,与加速电压无关。