1.4质谱仪和回旋加速器
第一章 4 《质谱仪与回旋加速器》课件ppt
度最大时,其运动半径也最大,即 rm= ,再由动能定理得 Ekm= 2 ,所以
要提高带电粒子获得的最大动能,应尽可能增大磁感应强度 B 和 D 形盒的半
径 R。
知识归纳
回旋加速器
粒子到狭缝总被加速
1.粒子被加速的条件
交流电源的周期等于粒子在磁场中运动的周期。
2.粒子最终的能量
以看作初速度为零,粒子经过电场加速后进入有界的垂直纸面向里的匀强
磁场区域,并沿着半圆周运动而达到照相底片上的P点,测得P点到入口的
距离为x,则以下说法正确的是(
)
A.粒子一定带正电
B.粒子一定带负电
C.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越大
D.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越小
解析 根据粒子的运动方向和洛伦兹力方向,由左手定则知粒子带正电,故 A
)
A.粒子被加速后的最大速度随磁感应强度和D形盒的半径的增大而增大
B.粒子被加速后的最大动能随高频电源的加速电压的增大而增大
C.高频电源频率由粒子的质量、电荷量和磁感应强度决定
D.粒子从磁场中获得能量
答案 AC
随堂检测
1.若速度相同的同一束列相关说法正确的是(
0
越大,D 错误。
答案 ABC
探究二
回旋加速器
情境探究
下图是回旋加速器的原理图,已知D形盒的半径为R,匀强磁场的磁感应强
度为B,交流电源的周期为T,若用该回旋加速器来加速质子,设质子的质量
为m,电荷量为q,请思考:
(1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用?质子每次经过狭缝时,动能
的增加量是多少?
级加速的办法。
在多级加速器中粒子做直线运动,加速装置要很长很长,占用的空间范围很
物理人教版(2019)选择性必修第二册1.4质谱仪与回旋加速器(共17张ppt)
2πm
qB
一个周期内，粒子加速 次
二、回旋加速器
1.构造：
2.原理：
（3）最大动能：
若D形盒半径为R
2
vm
Bv m q m
R
BqR
vm
m
1 2 q2B2R2
Ekm mv m
2
2m
对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能由磁感应强
度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关。
MN为边界、方向垂直纸面向外、磁感应强度大小为B2的匀强磁场。一电荷量为q、
质量为m的带正电的粒子从静止开始经过加速电场后，进入速度选择器，并能沿直
线穿过速度选择器，从A点垂直MN进入偏转磁场。带电粒子经偏转磁场后，最终到
达照相底片的C点。已知速度选择器中的电场方向水平向右、电场强度大小为E，A点
到C点的距离为x，
2 m
T
qB
回旋加速器不可无限加速。
实际上，回旋加速器加速的带电粒子，
能量达到25~30MeV后，就很难再加速了
3.某小型医用回旋加速器，最大回旋半径为0.5 m，磁感应强度大小为
1.12 T，质子加速后获得的最大动能为1.5×107 eV。根据给出的数据，
可计算质子经该回旋加速器加速后的最大速率约为（
二、回旋加速器
1.构造：
2.原理：
（4）加速次数：
1
2
nUq mvm
2
（5）运动时间：
加速时间：
vm
vm
mdvm
t加
Uq
a
Uq
md
回旋时间：
T nm
t回 n
2
4 质谱仪与回旋加速器-人教版高中物理选择性必修 第二册(2019版)教案
4 质谱仪与回旋加速器-人教版高中物理选择性必修第二册（2019版）教案一、教学目标1.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。
2.掌握质谱仪和回旋加速器的基本结构。
3.了解质谱仪和回旋加速器的应用。
4.能够根据质谱仪和回旋加速器的原理和结构分析实际问题。
二、教学内容1.质谱仪（1）工作原理质谱仪利用物质中带电粒子的质量和电荷比（m/q）在电磁场中运动的特点，将分子或原子进行分离和测量。
其主要由四个部分组成：样品输入系统、离子源、质能分析系统和检测系统。
（2）基本结构样品输入系统负责将待分析的物质引入离子源。
离子源将物质转化为离子；质能分析系统负责根据粒子的$\\mathrm{m}/\\mathrm{q}$比对粒子进行分离和分析；检测系统利用电子倍增管等方法将分离的离子信号转化为电信号输出。
（3）应用质谱仪广泛应用于生化分析、气相色谱、食品质量控制、环境污染检测等领域。
2.回旋加速器（1）工作原理回旋加速器利用电场和磁场的作用，在加速器内部将带电粒子加速到高速，然后通过磁场的弯曲使带电粒子在加速器内部形成一条环形轨道。
加速器不断给带电粒子加速，使粒子的质量不断增加，直到粒子达到一定的速度后，可以用来进行核反应等实验。
（2）基本结构回旋加速器主要由电子枪、加速环、磁铁和减速器等部分组成。
其中，电子枪负责产生电子束；加速环负责加速带电粒子；磁铁负责弯曲带电粒子的轨迹，形成环形轨道；减速器负责将带电粒子放缓。
（3）应用回旋加速器主要用于核物理、粒子物理等领域的研究和应用。
它可以产生高能粒子束，进行核物理实验研究，也可以用于放射性同位素的制备、医学应用等方面。
三、教学方法1.讲解结合练习，在讲解原理的同时，引导学生进行思考和分析。
2.运用多媒体技术，通过图片、动画等形式向学生展现相应的实验现象。
3.组织学生进行实验探究，促进学生对理论知识的理解和应用。
四、教学手段1.多媒体教学课件。
2.实验室及相应的实验设备。
1.4质谱仪与回旋加速器
U
E B1
qvB1 qE
E
v
B2
B1
L
r mv
q v
B2 q
m B2r
r L 2
q 2E
m B1B2 L
三.回旋加速器
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
三.回旋加速器 2.回旋加速器的原理：
500Gev—1000Gev
科学与技术在相互作用中发展进步
四.磁流体发电机
A R
B
▪ 在电磁场的共同作用下 UAB =Ed=Bdv时达 平衡，离子不再偏转
▪ 对外供电时UAB =Bdv时达动态平衡
四.磁流体发电机
磁流体发电机
四.磁流体发电机 选择性必修二P11
qvB qE qvB q U
d U Bdv
设电流强度为I，电荷定向移动速度为V，上下两侧电压为U
稳定时：
Bev Ee
Bv U L
U BLvL(1)
B
d
I
L
U
++++++++
六.霍尔效应
又 I nesv （n为单位体积自由电荷数）
v I I nes neLd
B
d I
L
U
++++++++
(2)式代入(1)式
U BI 1 BI k BI ned ne d d
1 2
mv 2max
q2 2m
B2R2
nqU
1 2
mvn 2
第一章4质谱仪与回旋加速器
第一章 4 质谱仪与回旋加速器问题？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。
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？质谱仪我们都知道，电场可以对带电粒子产生作用力，而磁场同样可以对运动中的带电粒子施加作用力。
因此，我们可以利用电场和磁场来控制带电粒子的运动。
通过电场，我们可以让带电粒子获得一定的速度；而利用磁场，则可以让粒子进行圆周运动。
根据公式 r = 我们可以看出，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与质量有关。
如果磁场强度(B)和速度(v)相同，但质量(m)不同，那么半径(r)也会有所不同。
这样一来，我们就可以利用这种差异将不同的粒子分开。
在19世纪末，汤姆孙的学生 受到这一想法的启发，设计出了质谱仪。
利用质谱仪，他发现了氖-20和氖-22这两种同位素，从而证实了它们的存在。
随着时间的推移，质谱仪经过多次改进，已经发展成为一种非常精密的仪器，成为科学研究和工业生产领域中不可或缺的重要工具。
如图1.4-1所示，一个质量为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。
该粒子的初速度几乎为0,接着经过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，最后撞击到照相底片D 上。
粒子进入磁场时的速度 v 等于它在电场中被加速而得到的速度。
由动能定理得m v 2 = qU由此可知v = （1）AU SB 7 7 7 7 7SS图1.4-1 质谱仪工作原理粒子在磁场中只受洛伦兹力的作用，做匀速圆周运动，圆周的半径为r = （2）把第（1）式中的v代入（2）式，得出粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径r如果容器 A 中粒子的电荷量相同而质量不同，它们进入匀强磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，因而被分开，并打到照相底片的不同地方。
在实际操作中，我们通常会让中性的气体分子进入电离室A,在那里它们会被电离成带电的离子。
1-4 质谱仪与回旋加速器 教案
1.4质谱仪与回旋加速器〖教材分析〗本节内容属于洛伦兹力的应用，教材介绍了质谱仪、多级加速器和回旋加速器。
值得重点介绍的是质谱仪的用途，它可以精确测定粒子的比荷，分析同位素的重要作用。
回旋加速器注意它半径与周期对粒子加速的影响。
〖教学目标与核心素养〗物理观念∶知道其质谱仪和回旋加速器工作原理，会解决带电粒子运动的相关问题。
科学思维∶通过带电粒子在质谱仪和回旋加速器中的运动分析，体会物理模型在探索自然规律中的作用。
科学探究：了解质谱仪和回旋加速器的结构，知道其工作原理，会解决带电粒子加速的相关问题。
科学态度与责任∶通过质谱仪和回旋加速器在实际生活中的应用，体会科学技术对社会发展的促进作用。
〖教学重难点〗教学重点：质谱仪和回旋加速器工作原理。
教学难点：回旋加速器中粒子的加速周期与电场变化周期之间的关系的表达式。
〖教学准备〗多媒体课件〖教学过程〗一、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，以便知道其中所含物质的成分。
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?二、新课教学（一）质谱仪我们知道，电场可以对带电粒子施加作用力，磁场也可以对运动的带电粒子施加作用力，可以利用电场和磁场来控制带电粒子的运动。
由 qB mv r = 可知，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与质量有关，如果B 、v 相同，m 不同，则r 不同，这样就可以把不同的粒子分开。
19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿就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。
质谱仪是用来分离同位素的、检测它们的相对原子质量和相对丰度的仪器。
用它测定的原子质量的精度超过化学测量方法。
（最后动图展示质谱仪分离同位素的画面）1.下质谱仪的基本结构。
①粒子源：能生成离子束。
②加速电场：离子束经过加速电场获得了一定的速度。
课件1：1.4质谱仪与回旋加速器
粒子才能通过速度选择器。
(3) 在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为：r = mv
qB2
(4) 在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r
(5) 联立以上各式可得粒子的比荷和质量分别为
q m
=
8U B22 x22
m = qB22 x22 8U
由粒子质量公式可知，如果带电粒子的电荷量相同，质量有微小差别， 就会打在照相底片上的不同位置，出现一系列的谱线，不同质量对应着 不同的谱线，叫作质谱线。
例3：如图是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒 置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核(H)和氦核(He)。下 列说法中正确的是( AC ) A．它们的最大速度相同 B．它们的最大动能相同 C．它们在D形盒中运动的周期相同 D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能
③交变电压的作用 为保证粒子每次经过狭缝时都被加速，使之能量不断提高，需在狭缝两侧加上 跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压。
由于技术条件的限制，两极电压不可能无限提高，因此常常采用多级加速的办法。
在多级加速器中粒子做直线运动，加速装置要很长很长，占有的空间范围很大， 在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。
说明： 1. 粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子在匀强磁场中做圆周运 动的周期不变。 2. 因为两个D形盒之间的窄缝很小，所以带电粒子在电场中的加速时间可以忽 略不计。 3. 回旋加速器加速的带电粒子，能量达到25 ~ 30MeV后。就很难加速了，原因 是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度的增加而增大，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。
1.4 质谱仪与回旋加速器
1.4.质谱仪与回旋加速器中的运动教学设计 .-
1.4质谱仪与回旋加速器一、教材分析物理课程标准：知道质谱仪和回旋加速器的基本原理,以及相应的工作过程，理解在电场、磁场中的运动规律。
教材内容及体系安排：通过前面学习，知道电荷在电场、磁场中的分别受到电场力、洛伦兹力，当电荷（粒子）在匀强电场中运动的方向与电场强度方向平行时。
匀强电场对电荷（粒子）起到加速的作用，当运动的电荷（粒子）运动的方向。
与匀强磁场中磁感应强度的方向不平行时，运动的电荷（粒子）受到洛伦兹力作用。
改变运动的方向，轨迹发生偏转。
洛伦兹力提供做匀速圆周运动的向心力。
二、学情分析授课学生对象：高二年级的学生知识储备：带电粒子（微粒）在电场、磁场中的运动特点能力基础：理解粒子收到电场力的作用，会对带电粒子起到加速、偏转作用，磁场会起到偏转作用。
思维方式：比较抽象，不能用空间解释带电粒子的运动情况分析。
想象不到具体的运动情况，以及找相应的运动轨迹。
三、教学目标与核心素养物理观念学生知道带电粒子在匀强电场、磁场中运动的特点，以及遵循的相关规律，清楚在生活中的重要性。
科学思维∶训练学生运用电场和磁场的知识解决实际问题，培养其科学思维能力。
培养学生的逻辑思维能力和分析问题的能力，科学探究通过演示实验的引导，培养学生实验动手操作能力。
让学生能够从理论学习走向实践操作，培养学生的物理思维能力。
科学态度与责任通过演示实验的引导，培养学生团队合作精神，数据的处理追求实事求是的科学责任。
四、教学重难点教学重点：①带电粒子在电场和磁场中的运动特点及规律②质谱仪、回旋加速器的工作原理和生活中的应用教学难点：①质谱仪和回旋加速器的原理和应用，理解质谱仪用来测量同位素、质量比、半径比关系，回旋加速器最大初动能与加速电压无关原因。
五、教法学法教法：讲授法、实验探究法、练习法学法：自主探究法、讨论交流法、六、教学准备多媒体课件、圆规、绳子、细线七、教学过程温故知新、复习导入复习洛伦兹力、安培力的内容，相应的方向、大小的计算。
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1.1 磁场对通电导线的作用力
【学习目标】
1．知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。
2．知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。
【学习重点】
知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。
【学习难点】
知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。
【学习过程】
一、自主预习
（一）、质谱仪
1．质谱仪的结构原理
（1）.质谱仪的组成
由粒子源容器、电场、磁场和底片组成。
（2）.质谱仪的用途
质谱仪最初是由汤姆孙的学生阿斯顿设计的。
他用质谱仪发现了氖20和氖22,证实了的存在。
质谱仪是测量带电粒子的和分析的重要工具。
（二）、回旋加速器
1.为什么要设计多级加速器?有什么缺点?
2.参照课本回旋加速器的原理图,简述回旋加速器的组成。
自我检测
1.正误判断。
(1)利用质谱仪可以测定带电粒子的质量和分析同位素。
()
(2)当交变电压的周期等于带电粒子在磁场中运动的周期时,回旋加速器中的粒子才能被加速。
(3)回旋加速器能把粒子加速到光速。
()
2.(多选)质谱仪的构造原理如图所示,从粒子源S出来时的粒子速度很小,可以看作初速度为零,粒子经过电场加速后进入有界的垂直纸面向里的匀强磁场区域,并沿着半圆周运动而达到照相底片上的P点,测得P点到入口的距离为x,则以下说法正确的是()
A.粒子一定带正电
B.粒子一定带负电
C.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越大
D.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越小
3.关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述,正确的是()
A.电场和磁场都对带电粒子起加速作用
B.电场和磁场是交替地对带电粒子做功的
C.只有电场对带电粒子起偏转作用
D.磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动
二、探究学习
问题情境一
如图为质谱仪原理示意图。
设粒子质量为m、电荷量为q,加速电场电压为U,偏转磁场的磁感应强度为B。
则粒子进入磁场时的速度是多大?打在底片上的位置到S3的距离多大?
知识归纳
1.带电粒子运动分析
2.质谱仪区分同位素
实例引导
例1如图所示为质谱仪的原理图。
利用这种质谱仪可以对氢元素进行测量。
氢元素的各种同位素,从容器A 下方的小孔S1进入加速电压为U的加速电场,可以认为从容器出来的粒子初速度为零。
粒子被加速后从小孔S2进入磁感应强度为B的匀强磁场,最后打在照相底片D上,形成a、b、c三条质谱线。
关于氢的三种同位素进入磁场时速率的排列顺序和三条谱线的排列顺序,下列说法中正确的是()
A.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氕、氘、氚
B.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氚、氘、氕
C.a、b、c三条谱线的排列顺序是氕、氘、氚
D.a、b、c三条谱线的排列顺序是氘、氚、氕
变式训练1 (多选)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。
速度选择器内相互正交的匀强磁场的磁感应强度和匀强电场的电场强度分别为B和E。
平板S上有可让粒子通过
的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2。
平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场。
下列表述正确的是()
A.质谱仪是分析同位素的重要工具
B.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外
C.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于
D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子
的比荷越小
回旋加速器
问题情境二
下图是回旋加速器的原理图,已知D形盒的半径为R,匀强磁场的磁感应强度为B,交变电流的周期为T,若用该回旋加速器来加速质子,设质子的质量为m,电荷量为q,请思考:
(1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用?质子每次经过狭缝时,动能的增加量是多少?
(2)对交流电源的周期有什么要求?
(3)带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定?
知识归纳
1.粒子被加速的条件
交流电压的周期等于粒子在磁场中运动的周期。
2.粒子最终的能量
3.提高粒子最终能量的措施
4.粒子被加速次数的计算
5.粒子在回旋加速器中运动的时间
实例引导
例2 (多选)一个用于加速质子的回旋加速器,其核心部分如图所示,D形盒半径为R,垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B,两盒分别与交流电源相连。
设质子的质量为m、电荷量为q,则下列说法正确的是()
A.D形盒之间交变电场的周期为2πm
qB
B.质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大
C.质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大
D.只要R足够大,质子的速度可以被加速到任意值
变式训练2(多选)如图所示,回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的装置,其核心部分是两个D形金属盒,置于匀强磁场中,两盒分别与高频电源相连。
下列说法正确的有()
A.粒子被加速后的最大速度随磁感应强度和D形盒的半径的增大而增大
B.粒子被加速后的最大动能随高频电源的加速电压的增大而增大
C.高频电源频率由粒子的质量、电荷量和磁感应强度决定
D.粒子从磁场中获得能量
随堂检测
1.若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示,则下列相关说法正确的是()
A.该束带电粒子带负电
B.速度选择器的P1极板带负电
C.在B2磁场中运动半径越大的粒子,比荷q/m 越小
D.在B2磁场中运动半径越大的粒子,质量越大
2.(多选)回旋加速器原理如图所示,由两个铜质D形盒D1、D2构成,其间留有空隙,下列说法正确的是()
A.粒子由加速器的中心附近进入加速器
B.粒子由加速器的边缘进入加速器
C.粒子从磁场中获得能量
D.粒子从电场中获得能量
3.(多选)质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具,它的构造原理如图所示,离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看为零),经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场,到达记录它的照相底片P上,设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x,可以判断()
A.若离子束是同位素,则x越大,离子质量越大
B.若离子束是同位素,则x越大,离子质量越小
C.只要x相同,则离子质量一定相同
D.只要x相同,则离子的比荷一定相同
4.(多选)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面的匀强磁场中,如图所示,要增大带电粒子射出时的动能,下列说法正确的是()
A.增大匀强电场间的加速电压
B.增大磁场的磁感应强度
C.减小狭缝间的距离
D.增大D形金属盒的半径
【学习反思】
【作业布置】。