质谱仪与回旋加速器课件
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第一章 4 《质谱仪与回旋加速器》课件ppt
2 2 m 2
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
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
质谱仪与回旋加速器-高二物理课件(人教版2019选择性必修第二册)
直线加速器优点是结构简单，可以把粒子的能量加速到 足够大，缺点是加速器的空间尺寸太大,实验必须在真空 条件下进行,20世纪初要获得大范围的真空条件同样是困 难的.
三.回旋加速器
思考与讨论：能否让粒子加速后拐个弯，从而在 一个有限的空间里多次加速呢？如何拐弯？
1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器， 实现了在较小的空间范围内对带电粒子进行多级 加速。
r
1 B
2mU q
一.质谱仪
一.质谱仪
典型例题
例1.如图为质谱仪原理示意图，电荷量为q、质量为m的带正电的 粒子从静止开始经过电压为U的加速电场后进入粒子速度选择
器．选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的
场强为E、方向水平向右．已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择 器，从G点垂直MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN
三.回旋加速器
4.从发射到离开一共加速几次？ 每次加速获得能量qU，故加速次数：
n Ek qB2R2 qU 2mU
5.粒子在磁场中一共运动多少时间？ 每次加速后转半圈，故磁场中时间：
t磁
nT 2
BR 2
2U
6.如果要求电场中的时间呢？
法一：t电
v a
BdR U
法二：nd
1 2
at电2
t电
BdR U
； (2)E
m 2qU
方向垂直纸面向外；(3)L2
2mU q
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。
问题：如何才能把粒子加速？
三.回旋加速器
思考与讨论：能否让粒子加速后拐个弯，从而在 一个有限的空间里多次加速呢？如何拐弯？
1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器， 实现了在较小的空间范围内对带电粒子进行多级 加速。
r
1 B
2mU q
一.质谱仪
一.质谱仪
典型例题
例1.如图为质谱仪原理示意图，电荷量为q、质量为m的带正电的 粒子从静止开始经过电压为U的加速电场后进入粒子速度选择
器．选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的
场强为E、方向水平向右．已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择 器，从G点垂直MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN
三.回旋加速器
4.从发射到离开一共加速几次？ 每次加速获得能量qU，故加速次数：
n Ek qB2R2 qU 2mU
5.粒子在磁场中一共运动多少时间？ 每次加速后转半圈，故磁场中时间：
t磁
nT 2
BR 2
2U
6.如果要求电场中的时间呢？
法一：t电
v a
BdR U
法二：nd
1 2
at电2
t电
BdR U
； (2)E
m 2qU
方向垂直纸面向外；(3)L2
2mU q
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。
问题：如何才能把粒子加速？
质谱仪和回旋加速器PPT课件
问题讨论一：带点粒子在匀强磁场中的运动情况
思考：
1.如图，带点粒子沿磁感线 进入磁场（v∥B），则它在 磁场中怎样运动呢？
匀速直线运动
2.若带点粒子垂直于磁感线 进入磁场（v⊥B），则它在 磁场中怎样运动呢？
-
v
B
× × × B× ×
×××××
×
×× +
×
v×
×××××
×××××
第1页/共14页
理论分析： （1）当v⊥B 时 ，洛伦兹力的方向与速度方向的关系?粒子运动 的轨迹平面有何特点？
解决上述困难 的一个途径是把加 速电场“卷起来”， 用磁场控制轨迹， 用电场进行加速。
NN
D2
O
~
D1
B
S
回旋加速器原理图
第11页/共14页
第12页/共14页
三、回旋加速器
原理：电场使粒子加速，磁场使粒子回旋。
回旋周期：T 2 π m ，与半径、速度的大小无关。
Bq
离盒时粒子的最大动能：与加速电压无关，由半径决定。
v qBR0 m
Ek
1 2
mv2
Ek
q2 B2 R02 2m
第13页/共14页
感谢您的观看！
第14页/共14页
（2）带电粒子仅在洛伦兹力的作用下，粒子的速率变化么？
（3）洛伦兹力在粒子运动过程中如何变化？
第2页/共14页q- Nhomakorabeao
问题讨论一：带点粒子在匀强磁场中的运动情况
思考：
1.如图，带点粒子沿磁感线 进入磁场（v∥B），则它在 磁场中怎样运动呢？
匀速直线运动
2.带点粒子垂直于磁感线进 入磁场（v⊥B），则它在磁 场中怎样运动呢？
思考：
1.如图，带点粒子沿磁感线 进入磁场（v∥B），则它在 磁场中怎样运动呢？
匀速直线运动
2.若带点粒子垂直于磁感线 进入磁场（v⊥B），则它在 磁场中怎样运动呢？
-
v
B
× × × B× ×
×××××
×
×× +
×
v×
×××××
×××××
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理论分析： （1）当v⊥B 时 ，洛伦兹力的方向与速度方向的关系?粒子运动 的轨迹平面有何特点？
解决上述困难 的一个途径是把加 速电场“卷起来”， 用磁场控制轨迹， 用电场进行加速。
NN
D2
O
~
D1
B
S
回旋加速器原理图
第11页/共14页
第12页/共14页
三、回旋加速器
原理：电场使粒子加速，磁场使粒子回旋。
回旋周期：T 2 π m ，与半径、速度的大小无关。
Bq
离盒时粒子的最大动能：与加速电压无关，由半径决定。
v qBR0 m
Ek
1 2
mv2
Ek
q2 B2 R02 2m
第13页/共14页
感谢您的观看！
第14页/共14页
（2）带电粒子仅在洛伦兹力的作用下，粒子的速率变化么？
（3）洛伦兹力在粒子运动过程中如何变化？
第2页/共14页q- Nhomakorabeao
问题讨论一：带点粒子在匀强磁场中的运动情况
思考：
1.如图，带点粒子沿磁感线 进入磁场（v∥B），则它在 磁场中怎样运动呢？
匀速直线运动
2.带点粒子垂直于磁感线进 入磁场（v⊥B），则它在磁 场中怎样运动呢？
人教版物理高中选择性必修2第一章1_4 质谱仪与回旋加速器PPT教学课件
描述运第动一的章基本概安念培力与洛伦兹力
2|回旋加速器
情境 北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一,是我国第一台高能 加速器,也是高能物理研究的重大科技基础设施。它由长202米的直线加速器、输 运线、周长240米的圆形加速器(也称储存环)、高6米重500吨的北京谱仪和围绕 储存环的同步辐射实验装置等几部分组成,外形像一只硕大的羽毛球拍。如图所 示,正、负离子由静止经过电压为U的直线加速器加速后,沿圆环切线方向注入对 撞机的真空环状空腔内,空腔内存在着与圆环平面垂直的匀强磁场,磁感应强度大 小为B。两种带电粒子将被局限在环状空腔内,沿相反方向做半径相等的匀速圆周 运动,从而在碰撞区迎面相撞。
B1
第1讲 描述运第动一的章基本概安念培力与洛伦兹力
2|回旋加速器 1.构造图:如图所示。
2.核心部件:两个金属⑤ D形盒 。
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 相同 ,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 不变 。
4.最大动能:由qvB=
mv2 R
第1讲 描述运第动一的章基本概安念培力与洛伦兹力
1|质谱仪
情境 质谱仪又称质谱计,是分离和检测不同同位素的仪器。根据带电粒子在磁 场中能够偏转的原理,质谱仪按物质原子、分子或分子碎片的质量差异将它们进 行分离或检测物质组成。质谱仪按应用范围分为同位素质谱仪、无机质谱仪和有 机质谱仪;按分辨本领分为高分辨、中分辨和低分辨质谱仪;按工作原理分为静态 仪器和动态仪器。
为U的电场加速后,由qU=
1 2
mv2可求得其从S2射出时的速度为v=
2qU 。
m
该粒子进入磁场后,在洛伦兹力作用下做圆周运动。由qvB= mv2 可求得其轨迹半
2|回旋加速器
情境 北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一,是我国第一台高能 加速器,也是高能物理研究的重大科技基础设施。它由长202米的直线加速器、输 运线、周长240米的圆形加速器(也称储存环)、高6米重500吨的北京谱仪和围绕 储存环的同步辐射实验装置等几部分组成,外形像一只硕大的羽毛球拍。如图所 示,正、负离子由静止经过电压为U的直线加速器加速后,沿圆环切线方向注入对 撞机的真空环状空腔内,空腔内存在着与圆环平面垂直的匀强磁场,磁感应强度大 小为B。两种带电粒子将被局限在环状空腔内,沿相反方向做半径相等的匀速圆周 运动,从而在碰撞区迎面相撞。
B1
第1讲 描述运第动一的章基本概安念培力与洛伦兹力
2|回旋加速器 1.构造图:如图所示。
2.核心部件:两个金属⑤ D形盒 。
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 相同 ,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 不变 。
4.最大动能:由qvB=
mv2 R
第1讲 描述运第动一的章基本概安念培力与洛伦兹力
1|质谱仪
情境 质谱仪又称质谱计,是分离和检测不同同位素的仪器。根据带电粒子在磁 场中能够偏转的原理,质谱仪按物质原子、分子或分子碎片的质量差异将它们进 行分离或检测物质组成。质谱仪按应用范围分为同位素质谱仪、无机质谱仪和有 机质谱仪;按分辨本领分为高分辨、中分辨和低分辨质谱仪;按工作原理分为静态 仪器和动态仪器。
为U的电场加速后,由qU=
1 2
mv2可求得其从S2射出时的速度为v=
2qU 。
m
该粒子进入磁场后,在洛伦兹力作用下做圆周运动。由qvB= mv2 可求得其轨迹半
1.4质谱仪与回旋加速器说课课件-人教版(2019)选择性必修第二册(共25张PPT)
运用所学知识设计质谱仪和回旋加速器。理 关注生活、
解原理并加以应用。
学以致用
探究回旋加速器
科技前沿
课堂小结
作业布置
【任务一】科学家需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含的物质 的成分。利用所学的知识，你能设计一个方案，以分开电荷量相同、质量不同的
带电粒子吗？ 预测学生回答 方案一：只使用电场，经历先加速后偏转
思维层面
学生虽然对事物的认知 已经由具体形象思维慢 慢过渡到抽象的逻辑思 维，但是建立过程仍需
时间。
能力层面
处理电场和磁场综合性 问题时仍有些不够熟练， 在解决实际应用问题时 仍有不足。
能够通过受力和运动分析，再结合电 场中加速与圆周运动模型，分析质谱
仪与回旋加速器的工作原理， 加 价 深学生对磁场和电场的理解。
方案二： 让电荷垂直进入匀强磁场，后 在磁场中进行圆周运动
探究回旋加速器
科技前沿
课堂小结
作业布置
19世纪末，英国物理学家
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。
探究回旋加速器
启示式教学
为学生创设合适的物理情境和问题， 引导学生主动思考。
教学准备 多媒体辅助教学设备、学案等。
课前复习 课堂自主探究
带电粒子在 区分比荷不 电场、磁场 同的粒子 中的运动
课堂重点探究 深度学习 学以致用
高能粒子 的获取
设计质谱仪 与回旋加速 器
质谱仪与 回旋加速 器的应用
问题情境 建立科学模型
任。 通过能够分开比荷不同的 带电粒子和知道如何获得高能 粒子。经历问题的提出，对问题
第1.4节 质谱仪与回旋加速器(教学课件)
m,q
一、质谱仪
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 ：
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偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
④照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
3、作用：
①可测粒子的质量及比荷
②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素
磁场时间与D型盒半径、
磁感应强度、电压U有关
电场时间与缝间距、D型盒半
径、磁感应强度、电压U有关
三、课堂小结
一. 质谱仪
r
1 2mU
B
q
qB 2 r 2
m
2U 0
二. 回旋加速器
T电 q2 B 2r 2
Ek mv
2
2m
二、回旋加速器
2、相关计算
①磁场的作用是什么？写出粒子进入磁场后半径表达
式？周期？粒子在磁场中运动特点？
半 r mv
径
qB
周 T 2 m
期
qB
1
周期与粒子
的速度无关
②再次进入电场，怎么保证能做加速运动？
2 m
T电 T磁
qB
粒子源
狭缝
4
2
3
5
接高频
电源
0
想一想：在我们讨论带电粒子的回旋
进行多次加速。
二、回旋加速器
认识：回旋加速器由两个中空的半圆金属盒构成，两盒之间留有狭缝，
狭缝内有加速电场。粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两
个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，所以粒子在磁场中做匀速圆周运
动。经过半个圆周之后，当粒子再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒
一、质谱仪
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 ：
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偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
④照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
3、作用：
①可测粒子的质量及比荷
②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素
磁场时间与D型盒半径、
磁感应强度、电压U有关
电场时间与缝间距、D型盒半
径、磁感应强度、电压U有关
三、课堂小结
一. 质谱仪
r
1 2mU
B
q
qB 2 r 2
m
2U 0
二. 回旋加速器
T电 q2 B 2r 2
Ek mv
2
2m
二、回旋加速器
2、相关计算
①磁场的作用是什么？写出粒子进入磁场后半径表达
式？周期？粒子在磁场中运动特点？
半 r mv
径
qB
周 T 2 m
期
qB
1
周期与粒子
的速度无关
②再次进入电场，怎么保证能做加速运动？
2 m
T电 T磁
qB
粒子源
狭缝
4
2
3
5
接高频
电源
0
想一想：在我们讨论带电粒子的回旋
进行多次加速。
二、回旋加速器
认识：回旋加速器由两个中空的半圆金属盒构成，两盒之间留有狭缝，
狭缝内有加速电场。粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两
个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，所以粒子在磁场中做匀速圆周运
动。经过半个圆周之后，当粒子再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒
质谱仪与回旋加速器-高二理课件(2019人教版选择性必修第二册)
【答案】（1）正电；（2）
2 B
2mU q
；（3） d12
:
d22
解析：（1）由粒子在磁场中的运动轨迹根据左手定则可得出粒子带正电；
（2）粒子在电场中加速，根据动能定理
qU 1 mv2 2
粒子在磁场中做匀速圆周运动时，洛伦兹力提供向心力
联立解得
qvB m v2 R
d 2R
（3）由（2）中结论对同位数可得
图1
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_交___流电源，D形盒
处于垂直于D形盒的匀强_磁__场_中，如图2.
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
_周__期__性__变__化__的电场.
作用：带电粒子经过该区域时被_加__速__.
图2
(2)磁场的特点及作用
2
r
Bq
位素电荷量 q 相同，质量不同，在质谱仪照相底片上显示的位置就不同，
故能据此区分同位素. 2.回旋加速器 (1)粒子被加速的条件 带电粒子要保障每次进入电场中能够使其运动速度方向与电场力
方向相同即可被加速，这就要求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 粒子速度最大时的半径等于 D 形盒的半径，即 rm＝R，rm＝mvm，则粒
特点：D形盒处于与盒面垂直的_匀__强__磁场中.
作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做_匀__速__圆__周__运动，从而
改变运动__方__向__，__半__个__圆周后再次进入电场.
02
HEXINJIEYI
>>
核心解疑
掌握要点
1.质谱仪区分同位素：由 qU＝1mv2 和 qvB＝m v2可求得 r＝1 2mU.同
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)
盒射出时的动能与加速电压的大小无关
4.回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的仪器，其核心部分是 两个D形金属盒，两盒分别和一高频交流电源两极相连，以便在盒间的窄缝
中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝都得到加速，两盒放在磁感应强度为 B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒 子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rm，其运动轨 迹如图所示: (1)盒中有无电场？ (2)粒子在盒内做何种运动？ (3)所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？ (4)粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多少？ (5)设两D形盒间电场的电势差为U，求加速到上述能量所需的时间．(不计粒 子在电场中运动的时间)
3.(多选)用回旋加速器对粒子进行加速，可以获得高能带电粒子，两个D
形盒与电压有效值为U的高频交流电源的两极相连(频率可调)，在两盒
间的狭缝中形成周期性变化的电场，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，磁感应强度为B，如图所示，
粒子由速度为零开始加速，不计粒子在两极板间运动的时间，关于回旋
• 直线加速器的缺点： 体积通常较大，占地面积大。
• 能不能建造一种加速器，在较小的空间范围内让粒子经过多次加速 获得所需要的能量呢？
• 1932年美国科学家劳伦斯发明了回旋加速器，巧妙的应用带电 粒子在磁场中运动特点解决了这一问题。
一. 回旋加速器 1.构造: 如图，D1、D2是半圆金属盒，D形盒处于匀强磁 场中，D形盒的缝隙处接交流电源．
是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中，两 盒分别与高频交流电源相连。带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t的 变化规律如图乙所示。忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断 正确的是( ) D A.在Ek－t图像中应有t4－t3<t3－t2<t2－t1 B.加速电压越大，粒子最后获得的动能就越大 C.粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大 D.要想粒子获得的最大动能增大，可增加D形盒的面积
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BR 2U
2
m.
若忽略粒子在电场中运动时间， t 磁可视为总时间．
返回
【答案】 (1)无电场
(3)f＝2qπBm，ω＝qmB
qBR (4) m
m
，q2B2m2R
2 m
π (5)
BR 2U
2 m
(2)匀速圆周运动
返回
【规律总结】 求解此题应注意以下两点： (1) 交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相 同回旋加速器才能正常工作． (2)根据匀速圆周运动知识求出粒子最大速度 的表达式，再据此判断它与何物理量有关．
图3－5－12
返回
解析： (1)能通过速度选择器的粒子所受电场力
和洛伦兹力等大反向．
即 eB1v＝eE，
v＝BE1＝
1.2×105 0.6
m/s＝2×105 m/s.
(2)粒子进入磁场 B2 后做圆周运动，洛伦兹力提
供向心力．
eB 2 v ＝ mvR2， R ＝Bm2ve.
设质子质量为 m，则氘核质量为 2m
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变式训练 3 (2011年吉林市高二检测 )用回旋 加速器来加速质子，为了使质子获得的动能 增加为原来的 4倍，原则上可以采用下列哪几 种方法( ) A．将其磁感应强度增大为原来的 2倍 B．将其磁感应强度增大为原来的 4倍 C．将D形盒的半径增大为原来的 2倍 D．将D形盒的半径增大为原来的 4倍
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(1)盒中有无电场？
图3－5－13
(2)粒子在盒内做何种运动？
(3) 所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？
(4) 粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多
少？
(5)设两D形盒间电场的电势差为 U，求加速到上述
能量所需的时间． (不计粒子在电场中运动的时间 )
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【精讲精析】 (1)D 形盒由金属导体制成，具有屏蔽 外电场作用，故盒内无电场． (2)带电粒子在盒内做匀速圆周运动，每次加速之后， 半径变大． (3)粒子在电场中运动时间极短，因此高频交流电频率 要等于粒子回旋频率，因为 T＝2qπBm，回旋频率 f＝T1 ＝2qπBm，角速度 ω＝2πf＝qmB.
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即时应用 (即时突破，小试牛刀 ) 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 3－5－7 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 ( )
图3－5－7
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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
解析：选 BD.当粒子速度最大时，其运动半径
也最大，由
qv
B
＝mRv
2
Байду номын сангаас，得
v＝qBmR ，所以
Ekm
＝q2B2R2，要增大 2m
Ek，则应增大磁场的磁感应
强度 B 以及 D 形金属盒的半径 R，B、D 正确．
第五节 洛伦兹力的应用
课标定位 学习目标： 1.知道洛伦兹力只改变带电粒子速 度方向，不改变其速度大小． 2．知道质谱仪和回旋加速器的构造和原理． 重点难点：质谱仪和回旋加速器的原理和应 用．
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一、质谱仪和回旋加速器 1．质谱仪 (1)原理图：如图 3－5－2
图3－5－2
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粒子出电场时，速度 v＝
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(4)设粒子最大回旋半径为 Rm，则由牛顿第二定律得
qv mB ＝ mRvm2m，故
vm＝qBmR m，最大动能
E
km
＝
12m
v
2 m
＝
q2B2R 2m
2 m
.
(5)粒子每旋转一周增加能量 2qU，则其动能提高到
Ekm 时，旋转周数 n＝q4Bm2RU2m.在磁场中运动的时间：
t
磁
＝
nT
＝q4Bm2RU2m·2qπBm＝π
图3－5－8
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解析： 选AD。A、C选项中粒子在电场中向下 偏转，所以粒子带正电，再进入磁场后， A图 中粒子应逆时针转，正确． C 图中粒子应顺时 针转，错误．同理可以判断 B错，D对．
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变 式 训 练 1 如 图 3 － 5 － 12 为 质 谱 仪 的 示 意 图．速度选择部分的匀强电场场强 E＝1.2×105 V/m ，匀强磁场的磁感应强度为 B1＝0.6 T ．偏 转分离器的磁感应强度为 B2＝0.8 T ．求： (1)能通过速度选择器的粒子速度有多大？ (2) 质子和氘核进入偏转分离器后打在底片上的 条纹之间的距离 d为多少？
则：d＝2Bm2ev×2－Bm2ve×2＝5.2×10－3 m. 答案：(1)2×105 m/s (2)5.2×10－3 m
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回旋加速器的应用
例3 回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得 很大动能的仪器，其核心部分是两个 D形金属盒， 两盒分别和一高频交流电源两极相连，以便在盒 间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝 都得到加速，两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂 直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子 源射出的粒子电荷量为 q，质量为 m ，粒子最大回 旋半径为 Rm，其运动轨迹如图 3－5－13所示，问：
器，它是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要 工具．其结构如图 3－5－2甲所示，容器 A中含有电 荷量相同而质量有微小差别的带电粒子．经过 S1和 S 2之间的电场加速，它们进入磁场将沿着不同的半 径做圆周运动，打到照相底片的不同地方，在底片 上形成若干谱线状的细条，叫做质谱线．每一条谱 线对应于一定的质量．从谱线的位置可以知道圆周 的半径，如果再已知带电粒子的电荷量，就可以算 出它的质量，这种仪器叫做质谱仪．
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即时应用 (即时突破，小试牛刀 ) 3．(2011年杭州高二检测 )一个带电粒子以初速 度v 0垂直于电场方向向右射入匀强电场区域，穿 出电场后接着又进入匀强磁场区域．设电场和磁 场区域有明确的分界线，且分界线与电场强度方 向平行，如图 3－5－8中的虚线表示．在图所示 的几种情况中，可能出现的是 ( )
2qU m
在匀强磁场中轨道半径
r＝mqBv＝qmB
2mqU＝
2mU qB 2
所以粒子质量 m＝qB2U2r2.若粒子电荷量 q 也未
知，通过质谱仪可以求出该粒子的比荷 (电荷
量与质量之比
)mq
＝
2U B2r2.
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核心要点突破
一、质谱仪工作原理的理解 质谱仪是利用电场和磁场控制电荷运动的精密仪