高二物理回旋加速器
人教版物理高二上册选修磁场回旋加速器课件
＋
－
m +q
Ek=1/2mv2=qu 实际电压值不可能太高
? 如何突破电压限制
＋－＋－ ＋－ ＋－
m +q
方向两次；
交变电压的周期＝带电粒子在磁
场中运动的周期 Ｔ交＝Ｔ磁
回旋加速器的几点注意：
（１）带电粒子在D形盒中的轨道半径:
r mv qB
（２）带电粒子每次在每个D形盒中的运动时间:
t T m
2 qB
（３）带电粒子从加速器飞出时的速度：
vmqm B其 R R 中 指回旋D 加 形速 盒器 的
（４）带电粒子从加速器飞出时的动能：
（b）若考虑带电粒子在电场中的运动时间， （且假设电场是等间距的匀强电场）
t总 t磁t电 将带电粒子在电场运中动的视作匀加速直动线 , 运
则mqudt电 2
其中,n为加速次,数 u为加速电,压 d为极板间电. 压
回旋加速器的缺点：
最高能量只能达到20兆电子伏特.
因为当带电粒子的速率大到接近光速时, 按照相对论原理,粒子的质量随速率增大而明 显增加,从而使粒子的回旋周期也随之变化,破 坏了加速器的同步条件.
加速的动能增量越大，回旋半径也增大得越多，
Ek=1/2mv2=qu 最高能量只能达到20兆电子伏特. 显增加,从而使粒子的回旋周期也随之变化,破
Ek=1/2mv2=qu
虽然电场使带电粒子加速，但粒子的最大动能却 回旋加速器的工作原理：
回旋加速器各组成部分的作用: 注意：虽然洛伦兹力不做功，但带电粒子
高二【物理(人教版)】质谱仪与回旋加速器-教学设计
课程基本信息课例编号学科物理年级高二学期第一学课题质谱仪与回旋加速器教科书书名：物理选择性必修2出版社：人民教育出版社出版日期： 2019年 8 月教学人员姓名单位授课教师指导教师教学目标教学目标：带电粒子在电磁场中运动的基本分析方法教学重点：质谱仪与回旋加速器的工作原理教学难点：如何分离不同的带电粒子以及如何获得高能粒子教学过程时间教学环节主要师生活动1回顾2新课引入知识回顾：微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？带电粒子在匀强磁场中的运动就是洛伦兹力充当向心力qvB=m v2r得r=mvqBT=2πrv=2πmqB由此就可以判断粒子的速度、磁场的强弱对带电粒子运动的影响啦。
在科学研究和工业生产中，常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。
利用同学们的现有知识，你能设计一个实验方案,对不同比荷的带电粒子进行有效分离吗？首先，我们同学可能会想到前面学习过，电场中有这样一个情景。
（1）首先在电场中加速由：212qU mv=得：02qUvm=（2）然后进入偏转电场做类平抛x v t=⋅212qUy tmd=⋅⋅得：24Uy xdU=⋅通过分析发现带电粒子的运动轨迹跟电荷量和粒子质量无关，显然是分不开的，也就是说当x 等于板长L 时，所有带电粒子都将从同一偏移位置24UL y dU =离开偏转场。
那我们同学自然会想到，既然加速后的粒子在偏转电场中不能分离，磁场也能让带电粒子偏转，可不可以用磁场偏转来分离呢？加速后的带电粒子垂直磁场左边界垂直进入磁场，洛伦兹力与速度垂直，刚好充当圆周运动的向心力，做匀速圆周运动。
由：2v qvB m r = 得：mv r qB= 代入加速求得的v 得：012mU r B q= 显然，根据r 这个表达式，B 、U 0一定时，不同比荷（q/m ）的带电粒子进入磁场后将沿不同的半径做圆周运动，因此可以分离。
高二物理回旋加速器知识点
高二物理回旋加速器知识点回旋加速器是一种用于将带电粒子加速到高速的装置。
它广泛应用于高能物理实验和医学放射治疗等领域，具有重要的科学研究和应用价值。
一、回旋加速器的基本原理回旋加速器的基本原理是利用交变电压和磁场相互作用产生的回旋力，使带电粒子在磁场中做回旋运动，并通过逐渐加大电压和磁场的方式，不断增加粒子的动能，实现对粒子的加速。
二、回旋加速器的主要部件1. 加速腔回旋加速器的核心部件是加速腔，它负责产生高频电场，将带电粒子加速。
加速腔通常采用谐振腔结构，具有较高的品质因数和稳定的谐振频率。
2. 磁铁系统磁铁系统包括磁铁和磁场调节系统，它们共同产生稳定的磁场，用于控制粒子的运动轨道和回旋半径。
磁铁通常采用超导磁体，具有较高的磁场强度和较小的能量损耗。
3. 真空系统由于粒子在加速过程中需要在真空环境中运动，所以回旋加速器还需要配备高度精密的真空系统，以保证实验的稳定进行。
三、回旋加速器的工作过程回旋加速器的工作过程可以分为以下几个步骤：1. 加速腔产生高频电场。
2. 加速器中的粒子进入加速腔并受到电场力加速。
3. 粒子由于受到磁场力的作用，开始做回旋运动。
4. 通过逐渐增加电压和磁场强度，不断增加粒子的动能和速度。
5. 在达到所需能量后，粒子被提取出来，用于后续实验或应用。
四、回旋加速器的应用回旋加速器在物理学研究和应用中具有广泛的应用价值，主要体现在以下几个方面：1. 高能物理实验回旋加速器在高能物理实验中扮演着重要的角色，能够加速粒子到高速，并产生高能束流，用于对物质的结构和性质进行研究，深入探索物质构成的最基本粒子。
2. 医学放射治疗回旋加速器被广泛应用于医学放射治疗领域，可以用于肿瘤的放疗，通过加速带电粒子的运动，辐射到肿瘤组织，达到治疗的效果，同时最大限度地减少周围正常组织的损伤。
3. 同位素生产回旋加速器还可以用于同位素生产，通过改变回旋加速器中的粒子种类和能量，实现对目标物质的放射性同位素的生成，用于医学诊断、环境监测等领域。
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)
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？
1.4质谱仪与回旋加速器教学设计2023-2024学年高二下学期物理人教版2019选择性必修第二册
课题第4节质谱仪与回旋加速器课型新授课1.教学内容分析本节教材的内容属于带电粒子在组合场的应用，教材介绍了质谱仪与回旋加速器，从理论到实际应用，让学生在这一学习过程中对理论与实践相结合的研究方法有所体会，并且在学习过程中尝到成功的喜悦，体会科学技术对社会发展的促进作用。
2.学习者分析教材介绍了质谱仪与回旋加速器，从理论到实际应用；从知识学习的理论升华到解决生活问题的实际应用。
3.学习目标确定物理观念：知道其工作原理，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回旋加速器的运动分析，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。
4.学习重点难点教学重点：质谱仪与回旋加速器的工作原理教学难点：如何分离不同的带电粒子以及如何获得高能粒子5.学习评价设计能了解到质谱仪分离粒子的原理及粒子的比荷才是影响的相关主要因素，同时针对回旋加速器的最大速度能从理论上得出对应影响因素。
6.学习活动设计教师活动知识回顾：1、带电粒子的磁场中匀速圆周运动的产生条件：粒子垂直进入匀强磁场、粒子只受洛伦兹力2、规律：洛伦兹力充当向心力qvB=m v2r224mBvq rTπ=3、重要结论：2mTBq2kmEmvrBq Bq学生活动思考利用所学的知识，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？环节一： 教师活动1一、质谱仪 1. 质谱仪质谱仪是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具。
2. 质谱仪的构造质谱仪主要由以下几部分组成：① 带电粒子注入器② 加速电场 ( U )③ 速度选择器 ( B 1、E )④ 偏转磁场 ( B 2)⑤ 照相底片3. 质谱仪的工作原理（1）在加速电场中，带电粒子获得速度，即221mv qU = （2）在速度选择器中，只有满足qvB1 = qE ，即1B Ev =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：2qB mv r =学生活动1 学生根据所学知识归纳总结： 1、在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r2、联立各式可得粒子的比荷和质量分别为2228=q U m B x222=8qB x m U3、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。
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)
高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
5．如图所示，为回旋加速器的原理图.其中D1和D2是两个中空的半径为R的半圆形金属盒，接在电压为U 的加速电源上，位于D2圆心处的粒子源A能不断释放出一种带电粒子（初速度可以忽略，重力不计）， 粒子在两盒之间被电场加速，D1、D2置于与盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中。已知粒子电荷量 为q、质量为m，忽略粒子在电场中运动的时间，不考虑加速过程中引起的粒子质量变化，下列说法正确
高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
质谱仪
质谱仪的结构及其作用
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、结构及作用 ：
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
高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
第4节:质谱仪与回旋加速器
高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
温故知新
带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期和半径
qvB m v2 r
r = mv qB
T= 2 r 2 m
④照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
高中物理选择性必修第二册 第一章：安培力与洛伦兹力 第4节:质谱仪与回旋加速器
质谱仪
质谱仪的工作原理
你能根据所学知识解释一下质谱仪的工作原理吗？
（1）先加速由：
qU0
1 2
mv 2
（2）再偏转(匀速圆周运动）
得： v 2qU0
人教版高二物理 质谱仪与回旋加速器-练习题
课程基本信息学科物理年级高二学期第一学课题质谱仪与回旋加速器教科书书名：物理选择性必修2出版社：人民教育出版社学生信息姓名学校班级学号课后练习练习与应用（教材19页）第1题、第2题、第4题补充练习：1.质谱仪是测量带电粒子的比荷和分析同位素的重要工具。
如图所示，带电粒子从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为零，然后经过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，最后打到照相底片D上。
现有某种元素的三种同位素的原子核由容器A进入质谱仪，最后分别打在底片P1、P2、P3三个位置。
不计粒子重力。
则打在P1处的粒子A．质量最小B．比荷最小C．动能最小D．动量最小2．在高能物理研究中，回旋加速器起着重要作用，其工作原理如图所示。
D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电势差。
两个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中。
中央A处的粒子源产生的α粒子，在两盒之间被电场加速，α粒子进入磁场后做匀速圆周运动。
忽略α粒子在电场中的加速时间，不考虑相对论效应。
下列说法正确的是A．α粒子运动半个圆周之后，电场的方向必须改变B．α粒子在磁场中运动的周期越来越大C．磁感应强度越大，α粒子离开加速器时的动能就越大D．两盒间电势差越大，α粒子离开加速器时的动能就越大3．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。
图中所示的质谱仪是由加速电场和偏转磁场组成。
带电粒子从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U 的加速电场，其初速度几乎为0，然后经过S 3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，最后打到照相底片D 上。
不计粒子重力。
（1）若由容器A 进入电场的是质量为m 、电荷量为q的粒子，求：a ．粒子进入磁场时的速度大小v ；b ．粒子在磁场中运动的轨道半径R 。
（2）若由容器A 进入电场的是互为同位素的两种原子核P 1、P 2，由底片上获知P 1、P 2在磁场中运动轨迹的直径之比是2: 1。
高二物理(回旋加速器)
北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中 心之一.1988年10月16日，两束正负电子在北京西 郊一个羽毛球拍状的巨型机器里成功对撞，揭开了 我国高能物理研究的新篇章。
二、回旋加速器 结构：两个 D 形金属扁盒，在其上加有 磁场和交变的电场。将一粒子置于两个 D形盒的缝隙处。
加速条件：
交变电压的周期和粒子做圆周运 动的周期相等。
2m T qB
1.每一个周期加速两次. 2.电场加速过程中,时间极短,可忽略
讨论：加速粒子的最终能量由哪 些因素决定 ？
若D形盒半径为R，磁感应强度B. qBR •粒子最终速度： m m
第十五章
磁场
第六节
带电粒子在匀强磁场中的运动
使带电粒子不断地加速以获得很 大能量的一种装置叫做加速器。
1、直线加速器
q U
qU E K
由于电压的限制，所以一次加速后 粒子获得的能量较小，如何获得较大的 能量呢？
q(U1 U 2 U n ) E K
直线加速器
直线加速器有多个加速 电场,从而能使带电粒子获得 更大的能量.
•所获动能为：
qBR 1 2 EK m m 2 2m
2
•提高加速粒子最后的能量的方法： 增大磁感应强度B 增大加速器的半径R
直径为10.2cm的第一台回旋加速器。
近几十年，加速器的能量每 10年提高一个量级，加速器的尺 寸由数米费 米加速实验室，环形管道的半径为2公里。产 生的高能粒子能量为5000亿电子伏特。
靶
+
+
A
1
2
3
4
U~
U/v
Um
思考: 带电粒 子穿越第n个圆筒 时的动能为多大?
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费米梦想的加速器 诺贝尔物理奖获得者费 米曾在1954年提出环绕地 球建一台加速器的设想， 称为费米的梦。其能量可 达数千TeV（十亿）
•
有人建议沿我们的万里 长城建一台加速器，其能 量可达134TeV，这些都是 梦，要建造更高能量的加 速器，必须在新技术、新 原理方面进行探索。
•
【思考与讨论】:名师P88
若D形盒半径为R，磁感应强度B. •粒子最终速度： qBR m m
•所获动能为：
1 qBR 2 EK m m 2 2m
2
•提高加速粒子最后的能量的方法： 增大磁感应强度B 增大加速器的半径R
直径为10.2cm的第一台回旋加速器。
近几十年，加速器的能量每 10年提高一个量级，加速器的尺 寸由数米增加到数十公里。
目前世界上最大的回旋加速器在美国费米 加速实验室，环形管道的半径为2公里。产生 的高能粒子能量为5000亿电子伏特。
狭义相对论
当 可与光速比较时:
m m0
1
c
2 2
粒子回旋周期:
2m T qB
2m0
qB 1 2 c
2
北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中 心之一.1988年10月16日，两束正负电子在北京西 郊一个羽毛球拍状的巨型机器里成功对撞，揭开了 我国高能物理研究的新篇章。
精品课件！
精品课件！
钓鱼 精神病院里有一病人成天坐在一空鱼缸旁 拿着钓杆钓鱼，医生习己为常。
一天，医生心情不错，路过时问：“今天 钓到了几条？” 病人白了他一眼：“笨蛋！没看到这是空 鱼缸吗？”
二、回旋加速器 二、回旋加速器 结构：两个 D 形金属扁盒，在其上加有 磁场和交变的电场。将一粒子置于两个 D形盒的缝隙处。
加速条件：
交变电压的周期和粒子做圆周运 动的周期相等。
2m T qB
1.每一个周期加速两次. 2.电场加速过程中,时间极短,可忽略
讨论：加速粒子的最终能量由哪 些因素决定 ？
使带电粒子不断地加速以获得很 大能量的一种装置叫做加速器。
1、直线加速器
q U
qU E K
由于电压的限制，所以一次加速后 粒子获得的能量较小，如何获得较大的 能量呢？
q(U1 U 2 U n ) E K
直线加速器
直线加速器有多个加速 电场,从而能使带电粒子获得 更大的能量.
靶
+
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穿越第n个圆筒 时的动能为多大?
T 2T
0
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E k = nqUm
直线加速器
北京正负电子对撞机改造后的直线加速器
直线加速器可使粒子获得足够大的 能量．但它占地太长，能否既让带电 粒子多次加速，获得较高能量，又尽 可能减少占地长度呢？
劳伦斯（1901－1958）：美国物理学家