质谱仪与回旋加速器ppt课件

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．山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回一、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山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回粒子出电场时，速度v＝2qUm在匀强磁场中轨道半径r＝mvqB＝mqB2qUm＝2mUqB2所以粒子质量m＝qB2r22U.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)qm＝2UB2r2.山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回即时应用(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3－5－7A．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qvB＝mv2R，得v＝qBRm，所以Ekm＝q2B2R22m，要增大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．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v0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()图3－5－8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．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＝1.2×105V/m，匀强磁场的磁感应强度为B1＝0.6T．偏转分离器的磁感应强度为B2＝0.8T．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？图3－5－12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＝EB1＝1.2×1050.6m/s＝2×105m/s.(2)粒子进入磁场B2后做圆周运动，洛伦兹力提供向心力．eB2v＝mv2R，R＝mvB2e.设质子质量为m，则氘核质量为2m则：d＝2mvB2e×2－mvB2e×2＝5.2×10－3m.答案：(1)2×105m/s(2)5.2×10－3m类型三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：(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)图3－5－13【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＝2πmqB，回旋频率f＝1T＝qB2πm，角速度ω＝2πf＝qBm.(4)设粒子最大回旋半径为Rm，则由牛顿第二定律得qvmB＝mv2mRm，故vm＝qBRmm，最大动能Ekm＝12mv2m＝q2B2R2m2m.(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＝qB2R2m4mU.在磁场中运动的时间：t磁＝nT＝qB2R2m4mU·2πmqB＝πBR2m2U.若忽略粒子在电场中运动时间，t磁可视为总时间．【答案】(1)无电场(2)匀速圆周运动(3)f＝qB2πm，ω＝qBm(4)qBRmm，q2B2R2m2m(5)πBR2m2U【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．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倍解析：选AC.质子在回旋加速器中做圆周运动的半径r＝mvqB，故动能Ek＝q2B2r22m，所以要使动能变为原来的4倍，应将磁感应强度B或D形盒半径增为原来的2倍，A、C对，B、D错．山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回山东水浒书业有限公司·章磁场课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练知能优化训练返回