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物理也瘋狂
人教版高中物理選擇性必修第二冊
第一章 第4節
質譜儀與回旋加速器
目
錄
contents
01
質譜儀
02
回旋加速器
情境導入
在科學研究和工業生產中，常需要將一束帶等量電荷的粒子分開，以便知道其中所含物質的成分。利用所學的知識，你能設計一個方案，以便分開電荷量相同、質量不同的帶電粒子嗎？
質譜儀
質譜儀是科學研究中用來分析同位素和測量帶電粒子質量的重要工具。
質譜儀
1.質譜儀：利用磁場對帶電粒子的偏轉，由帶電粒子的電荷量、軌道半徑確定其質量的儀器。是科學研究中用來分析同位素和測量帶電粒子質量的重要工具。
2.結構及作用：
①電離室：使中性氣體電離，產生帶電粒子
②加速電場：使帶電粒子獲得速度
③偏轉磁場：使不同帶電粒子偏轉分離
④照相底片：記錄不同粒子偏轉位置及半徑
電離室
加速電場
偏轉磁場
照相底片
質譜儀
3.原理：
4.作用：
①可測粒子的質量及比荷
②與已知粒子半徑對比可發現未知的元素和同位素
由粒子質量公式可知，如果帶電粒子的電荷量相同，質量有微小差別，就會打在照相底片上的不同位置，出現一系列的譜線，不同質量對應著不同的譜線，叫作質譜線。
在偏轉電場中，帶電粒子的偏轉距離為x=2r
比荷:
質量:
由：
得：
得：
由：
經電場加速
得：
質譜儀
質譜儀
如圖所示，一束帶電粒子以一定的初速度沿直線通過由相互正交的勻強磁場（磁感應強度為B）和勻強電場（電場強度為E）組成的速度選擇器，然后通過狹縫P進入另一勻強磁場（磁感應強度為B’），最終打在A1A2上，粒子重力不計。下列表述正確的是（ ）
A.粒子帶負電
B.能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于E/B
C.粒子打在A1A2的位置越靠近P，粒子的比荷q/m越大
D.所有打在A1A2上的粒子，在磁感應強度為B’的磁場中的運動時間都相同
BC
回旋加速器
直線加速器
要認識原子核內部的情況，必須把核“打開”進行“觀察”。然而，原子核被強大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為“炮彈”去轟擊，才能把它“打開”。那如何才能獲得需要的高能粒子呢？產生這些高能“炮彈”的“工廠”就是各種各樣的粒子加速器
回旋加速器
能不能設計一種能實現多次加速，又減少占地空間的加速器呢？
北京正負電子對撞機
202米
歐洲強子對撞磁場加速器
幾公里
回旋加速器
U
m,q
B
用磁場控制軌道，用電場進行加速粒子的裝置就是回旋加速器
回旋加速器
1932年美國物理學家勞倫斯發明了回旋加速器，實現了在較小的空間范圍內對帶電粒子進行多級加速。
勞倫斯
第一臺回旋加速器
回旋加速器
回旋加速器
概念：利用電場對電荷的加速作用和磁場對運動電荷的偏轉作用，在較小的范圍內來獲得高能粒子的裝置。
2.結構：回旋加速器的核心部件是:
（1）兩個D形盒(半圓金屬盒）
（2）A粒子源
（3）交流電源
（4）偏轉磁場
原理圖
回旋加速器
U
3.工作原理：
（1）磁場的作用是什么？寫出粒子進入磁場后半徑表達式？周期？粒子在磁場中運動特點？

（2）電場的作用是什么？
電場使粒子加速
（3）再次進入電場，怎么保證能做加速運動？

（4）帶電粒子飛出回旋加速器加速時，獲得的動能由哪些因素決定？
接高頻
電源
狹縫
原理圖
粒子源






由：
得：
跟蹤練習
如圖，均勻繞制的螺線管水平放置，在其正中心的上方附近用絕緣繩水平吊起通電直導線A，A與螺線管垂直，A導線中的電流方向垂直紙面向里。閉合開關S，A受到的通電螺線管產生的磁場的作用力的方向是
A.豎直向上 B.豎直向下 C.水平向右 D.水平向左
√
解析：首先根據安培定則判斷出通電螺線管右端為N極，左端為S極，所以在A處產生的磁場方向水平向左。根據左手定則判斷可知A受到的通電螺線管產生的磁場的作用力的方向豎直向上，選項A正確，B、C、D錯誤。
跟蹤練習


√
√
跟蹤練習

跟蹤練習

AD
跟蹤練習
（1）粒子在磁場中飛出的最大軌道半徑為D形盒的半徑，對應速度也最大，則有

最大動能為：



聯立解得：

所以粒子運動時間：

又粒子做勻速圓周運動的周期：




所以兩粒子動能關系：


跟蹤練習

跟蹤練習

√
√

跟蹤練習

跟蹤練習
5.（多選）如圖所示，回旋加速器D形盒的半徑為R，用來加速質量
為m、電荷量為q的質子，質子每次經過電場區時，都恰好在電壓
為U時被加速，且電場可視為勻強電場，使質子由靜止加速到能量
為E后，由A孔射出。下列說法正確的是（　　）
A. D形盒半徑R、磁感應強度B不變，若加速電壓U越高，質子的能量E將越大
B. 磁感應強度B不變，若加速電壓U不變，D形盒半徑R越大，質子的能量E將越大
C. D形盒半徑R、磁感應強度B不變，若加速電壓U越高，質子在加速器中的運動時間將越長
D. D形盒半徑R、磁感應強度B不變，若加速電壓U越高，質子在加速器中的運動時間將越短

跟蹤練習
課堂小結
質譜儀與回旋加速器






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