1.4质谱仪与回旋加速器
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
学案2：1.4质谱仪与回旋加速器
1.4质谱仪与回旋加速器【学习目标】1.掌握质谱仪的结构及工作原理，掌握粒子在磁场中运动的半径和粒子的比荷.2.知道回旋加速器的构造及工作原理，知道交流电的周期与粒子在磁场中运动的周期之间的关系，知道决定粒子最大动能的因素.【自主学习】一、质谱仪1.质谱仪构造：主要构件有加速、偏转和照相底片.2.运动过程(如图)(1) 带电粒子经过电压为U的加速电场加速，_____＝12m v2(2)垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，做匀速圆周运动，r＝_____，可得r＝________.3.分析：从粒子打在底片D上的位置可以测出圆周的半径r，进而可以算出粒子的.二、回旋加速器1.回旋加速器的构造：两个D形盒，两D形盒接流电源，D形盒处于垂直于D形盒的匀强中，如图.2.工作原理(1)电场的特点及作用特点：两个D 形盒之间的窄缝区域存在 的电场.作用：带电粒子经过该区域时被 .(2)磁场的特点及作用特点：D 形盒处于与盒面垂直的 磁场中.作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做 运动，从而改变运动 ， 圆周后再次进入电场.合作探究知识点一 质谱仪1．质谱仪的结构质谱仪：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。
由粒子源容器、加速电场、偏转磁场和底片组成，运动过程如图所示。
① 电离室：使中性气体电离，产生带电粒子② 加速电场：使带电粒子获得速度③ 粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场④ 偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离⑤ 照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径2.质谱仪的工作原理设粒子的质量为m 、带电量为q （重力不计），粒子经电场加速由动能定理有：qU ＝12m v 2。
①； 粒子在偏转磁场中作圆周运动有： q v B ＝m v 2r②； 由①②两式可以求出粒子的半径r 、质量m 、比荷q m 等。
其中由r ＝1B2mU q可知电荷量相同时，半径将随质量变化。
3. 质谱仪的应用可以测定带电粒子的质量和分析同位素。
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。
20-21版：1. 4 质谱仪与回旋加速器(步步高)
C.只要R足够大，质子的速度可以被加速到任意值
D.不改变B和f，该回旋加速器也能用于加速α粒子
图7
解析 由 evB＝mvR2可得回旋加速器加速质子的最大速度为 v＝eBmR， 由回旋加速器高频交流电频率等于质子运动的频率，有 f＝T1＝2eπBm，
联立解得质子被加速后的最大速度不可能超过2πfR，选项A、B正确，C 错误； 由于 α 粒子在回旋加速器中运动的频率是质子的12， 不改变B和f，该回旋加速器不能用于加速α粒子， 选项D错误.
第一章 安培力与洛伦兹力
学习目标
1.知道质谱仪的构造及工作原理，会确定粒子在磁场中运动的半径， 会求粒子的比荷.
2.知道回旋加速器的构造及工作原理，知道交流电的周期与粒子在 磁场中运动的周期之间的关系，知道决定粒子最大动能的因素.
内容索引
NEIRONGSUOYIN
知识梳理 重点探究 随堂演练 课时对点练
同理有 q2U＝12m2v22
⑤
q2v2B＝m2vR222
⑥
由几何关系知 2R2＝2l
⑦
由①②③⑤⑥⑦式得，甲、乙两种离子的比荷之比为
mq11∶mq22＝1∶4.
针对训练1 (2019·济南市模拟)速度相同的一束粒子由左端射入质谱仪 后分成甲、乙两束，其运动轨迹如图5所示，其中S0A＝23 S0C，则下列说 法正确的是 A.甲束粒子带正电，乙束粒子带负电
若甲、乙两束粒子的电荷量相等， 由mq ＝Bv2r知mm甲 乙＝rr乙甲＝23，D 错误.
二、回旋加速器 导学探究 回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？对交流电源的周 期有什么要求？带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？
答案 磁场的作用是使带电粒子回旋，电场的作用是使带电粒子加速. 交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期. 当带电粒子速度最大时，其运动半径也最大， 即 rm＝mBvqm，可得 Ekm＝q2B2m2rm2， 所以要提高带电粒子获得的最大动能，则应尽可能增大磁感应强度B和D 形盒的半径rm.
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
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第
一
章
安
培
力
4 质谱仪与回旋加速器
与 洛
伦
兹
力
一 质谱仪
1.应用：测量带电粒子质量和分析同位素。 2.结构：如图所示
3.原理
加速电场U1：U1q
1 2
mv
2
v
2qU1 m
速度选择器E,B：v E 2qU1 Bm
偏转磁场B0m m qB02r2
qB qB
2U1
m不同，r 就不同
二 回旋加速器
1.应用：使带电粒子动能增加，从而获得高能粒子 2.结构：两个D形金属盒，如图所示
3.原理
1） 电场：使粒子加速 2） 磁场：使粒子偏转，速率不变
3）
加速条件：
T电 场
T回 旋
2πm qB
4） 粒子最大动能：离开半径与金属盒半径相同
qvm B
mv
t磁2 场：n
2
1T
（ n
-
1）m qB
t2>>t1，认为t ≈ t2.
感谢观看
2 m
R
R
mvm qB
Ekm
1 2
mv
2 m
q2B2R2 2m
粒子q、m及B一定，粒子获得的最大动能与回旋加速器 的半径R有关，R越大，Ek越大。
5） v接近光速时，回旋加速器受限。
粒子速度v接近光速c时
6） 粒子加速次数 n Ekm Uq
T 2 m
qB
7） 粒子在回旋加速器中运动的时间t
电场：t1