高二【物理(人教版)】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！
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（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
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)
2πm
qB
一个周期内，粒子加速 次
二、回旋加速器
1.构造：
2.原理：
（3）最大动能：
若D形盒半径为R
2
vm
Bv m q m
R
BqR
vm
m
1 2 q2B2R2
Ekm mv m
2
2m
对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能由磁感应强
度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关。
MN为边界、方向垂直纸面向外、磁感应强度大小为B2的匀强磁场。一电荷量为q、
质量为m的带正电的粒子从静止开始经过加速电场后，进入速度选择器，并能沿直
线穿过速度选择器，从A点垂直MN进入偏转磁场。带电粒子经偏转磁场后，最终到
达照相底片的C点。已知速度选择器中的电场方向水平向右、电场强度大小为E，A点
到C点的距离为x，
2 m
T
qB
回旋加速器不可无限加速。
实际上，回旋加速器加速的带电粒子，
能量达到25~30MeV后，就很难再加速了
3.某小型医用回旋加速器，最大回旋半径为0.5 m，磁感应强度大小为
1.12 T，质子加速后获得的最大动能为1.5×107 eV。根据给出的数据，
可计算质子经该回旋加速器加速后的最大速率约为（
二、回旋加速器
1.构造：
2.原理：
（4）加速次数：
1
2
nUq mvm
2
（5）运动时间：
加速时间：
vm
vm
mdvm
t加
Uq
a
Uq
md
回旋时间：
T nm
t回 n
2
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
高中物理人教选择性必修第二册质谱仪与回旋加速器 完整版课件
1929年，劳伦斯发明了后来被称为回旋加速器的 “原子击破器”，1932年建成世界第一台回旋加速器 。这是一种有奇特效能的能够加速带电粒子的装置 。以后逐渐加大尺寸，在许多地方建成了一系列回 旋加速器，致使他在加利福尼亚州伯克利的辐射实 验室成为世界物理学家参观学习的基地。
在二战美国研制原子弹期间，劳伦斯从事过用电磁 法分离铀－235，以及用加速器生产钚－239的实验研 究，为探寻获取美国首批原子弹的装料途径做出了独 特的贡献。到1948年，由劳伦斯建议制造的大型回旋 加速器已能提供α粒子束、氘粒子束和质子束。同年初 ，物理学家加德西和拉蒂斯用回旋加速器的380MeV α 粒子找到了介子，不久美国即开始建造第一座π介子工 厂。从此，开创了一个高能物理的新时代。由于劳伦 斯的倡议和推动，美国加利福尼亚大学建造了一台 6GeV高能质子同步稳相加速器。物理学家们在这台巨 型加速器上进行高能物理研究，完成了一系列重大发 现。
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.结构及作用 ：
电离室
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
照相底片
加速电场 速度选择器
④偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
偏转磁场
A．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高， 质子的能量E将越大
B．磁感应强度B不变，若加速电压U不变，D形盒半径R越大， 质子的能量E将越大
C．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高， 质子在加速器中的运动时间将越长
D．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高， 质子在加速器中的运动时间将越短
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)
人教版（2019）选修 第二册
1.4 质谱仪与回旋加速器
学习目标
1.了解质谱仪和回旋加速器的结构及工作原理；
2.经历质谱仪工作原理的推理过程，体会逻辑推理的思维方法；
了解回旋加速器面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。
新课引入
导入新课
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
速运动，加速n次后的速度为vn，在磁感应强度为B的磁场中做半径为rn的匀
速圆周运动，则有
nqU
1 2
mvn
2 2
qνn B m
n
rn
2 得 rn
由1、
1
2
1
B
2mnU
q
结论: 在加速电压和磁感应强度不变时，轨道半径的大小决定了加速的次数；
对于确定的D形盒，加速次数与加速电压成反比。
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？
一、质谱仪
1.结构： 粒子容器A、加速电场、偏转磁场、照相底片
2.原理
⑴电场加速
1
2 qU
由 qU mv 2 可得 v
1
m
2
⑵磁场偏转
由 Bqν m
2
r
2 得 r
由1、
qr 2 B 2
m
2U
练习
质谱仪原理如图，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场
正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质
量为m、电荷量为＋q的正电子（不计重力），经加速后，该粒子恰能通过速度选择
器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动。求：
1.4 质谱仪与回旋加速器
学习目标
1.了解质谱仪和回旋加速器的结构及工作原理；
2.经历质谱仪工作原理的推理过程，体会逻辑推理的思维方法；
了解回旋加速器面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。
新课引入
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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
速运动，加速n次后的速度为vn，在磁感应强度为B的磁场中做半径为rn的匀
速圆周运动，则有
nqU
1 2
mvn
2 2
qνn B m
n
rn
2 得 rn
由1、
1
2
1
B
2mnU
q
结论: 在加速电压和磁感应强度不变时，轨道半径的大小决定了加速的次数；
对于确定的D形盒，加速次数与加速电压成反比。
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？
一、质谱仪
1.结构： 粒子容器A、加速电场、偏转磁场、照相底片
2.原理
⑴电场加速
1
2 qU
由 qU mv 2 可得 v
1
m
2
⑵磁场偏转
由 Bqν m
2
r
2 得 r
由1、
qr 2 B 2
m
2U
练习
质谱仪原理如图，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场
正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质
量为m、电荷量为＋q的正电子（不计重力），经加速后，该粒子恰能通过速度选择
器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动。求：
人教版高中物理选修二1.4 质谱仪与回旋加速器课件
Bq
（4）带电粒子的轨迹特点 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。
（5）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. 带电粒子的最终能量
当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由
半径公式 r = mv qB
得 v = qBr m
为R的匀速圆周运动。求：
（1）粒子射出加速器时的速度v为多少？
（2）速度选择器的电压U2为多少？ （3）粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？
解析：（1）在a中，e被加速电场U1加速，由动能定理有
qU1
=
1 2
mv2
，得 v =
2eU1 m
（2）在b中，e受的电场力和洛伦兹力大小相等，即
e U2 d
(2)原理：当自由电荷所受的电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电 势差就保持稳定，即：
qvB qE q U d
所以 v U Bd
因此液体流量 Q Sv dU
4B
2．霍尔效应：
(1)定义：在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直 时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差，这种现象称为霍尔效 应，所产生的电势差称为霍尔电势差（霍尔电压），其原理如图所示．
为B0的匀强磁场。下列表述正确的是（ ABC ）
A．质谱仪是分析同位素的重要工具 B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝 P ，粒子的荷质比越小
qE＝qvB
v= E B
r = mv qB
q= v m Br
例. 质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择 器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离 器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为＋e的正电子(不计重 力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做半径
（4）带电粒子的轨迹特点 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。
（5）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. 带电粒子的最终能量
当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由
半径公式 r = mv qB
得 v = qBr m
为R的匀速圆周运动。求：
（1）粒子射出加速器时的速度v为多少？
（2）速度选择器的电压U2为多少？ （3）粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？
解析：（1）在a中，e被加速电场U1加速，由动能定理有
qU1
=
1 2
mv2
，得 v =
2eU1 m
（2）在b中，e受的电场力和洛伦兹力大小相等，即
e U2 d
(2)原理：当自由电荷所受的电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电 势差就保持稳定，即：
qvB qE q U d
所以 v U Bd
因此液体流量 Q Sv dU
4B
2．霍尔效应：
(1)定义：在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直 时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差，这种现象称为霍尔效 应，所产生的电势差称为霍尔电势差（霍尔电压），其原理如图所示．
为B0的匀强磁场。下列表述正确的是（ ABC ）
A．质谱仪是分析同位素的重要工具 B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝 P ，粒子的荷质比越小
qE＝qvB
v= E B
r = mv qB
q= v m Br
例. 质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择 器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离 器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为＋e的正电子(不计重 力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做半径
人教版高二物理选择性必修第二册第一章课件质谱仪回旋加速器(共28张PPT)
谢谢观赏！！！
采用上图进行多级加速,真的可行吗?有什么问题?如何改进? A、电场和磁场都对带电粒子起加速作用 志不立，天下无可成之事。
回旋加速器．除此之外，人们还设计 志气和贫困是患难兄弟，世人常见他们伴在一起。
装置
C、只有电场能对带电粒子起加速作用
（2）能把α粒子加速到的动能为?
制造出多种其它的新型加速器．目前 一个人如果胸无大志，既使再有壮丽的举动也称不上是伟人。
(3)周期之比为多少?
通过测出粒子圆周运动的半径，计算粒子的比荷或质量及分析同位素的仪器.
交变电源的变化周期始终与粒子的回 壮志与毅力是事业的双翼。
丈夫四海志，万里犹比邻。
问题1：粒子被加速后，运动速率和运动半径都会增加，它的运动周期会增加吗? 同一磁场中不同带电粒子的迹径不同
旋周期保持一致，于是就出现了同步 能否根据带电粒子的运动轨迹分辨初速度为零但比荷不同的粒子？
巩固训练
氘核和α粒子，从静止开始经相同电场 加速后，垂直进入同一匀强磁场作圆周运动.
则这两个粒子的
(1)动能之比为多少?
1:2
(2)轨道半径之比为多少? 1:1
(3)周期之比为多少?
1:1
加速器
问题1：用什么方法可以加速带电粒子?
利用加速电场可以加速带电粒子
+ + +
+U
问题2：要使一个带正电粒子获得更大的 速度(能量)?
采用上图进行多级加速,真的可行吗?有
什么问题?如何改进?
斯坦福大学的加速器
？
直线加速器占地太大，能不能让它小一点
二、回旋加速器
1932年,美国物理学家劳仑斯发明了回旋加速器， 从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面 迈进了一大步．为此，劳仑斯荣获了诺贝尔 物理学奖．
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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回旋加速器
讨论3：某种带电粒子在 回旋加速器中被不停的持续加 速后，带电粒子的能量能无限 增大吗？这个最大能量跟加速 电压有关吗？
回旋加速器
1. 变化电场
2.条件：
T电
T磁
2 m
qB
r mv qB
回旋加速器
1. 变化电场
2.条件：
T电
T磁
2 m
qB
r mv qB
v qBr m
回旋加速器
1. 变化电场
2.条件：
T电
T磁
2 m
qB
回旋加速器
1. 变化电场
2.条件：
T电
T磁
2 m
qB
Байду номын сангаас
在我们讨论带电粒子的回旋时
间时，忽略了粒子在缝间的加速时 间，为什么可以做这种忽略呢？
回旋加速器
1. 变化电场
2.条件：
T电
T磁
2 m
qB
回旋加速器加速不同比荷的带
电粒子，是否需要调整变化电场的 周期?
1. 变化电场
2.条件：
T电
T磁
2 m
qB
3. 粒子能量
Ek
1 2
mv2
q2B2r2 2m
r mv qB
v qBr m
科学态度和责任
这是我国最近自主研发成功的超导 回旋加速器，质子束能量首次达到 231MeV。用于恶性肿瘤、心脑血管 等重大疾病的诊断和治疗。
超导回旋加速器
科学态度和责任
目前世界上能量最
质谱仪与回旋加速器
年 级：高二 学 科：物理（人教版）
质谱仪与回旋加速器
年 级：高二 学 科：物理（人教版）
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？
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？
1 mv2 2
得： v 2qU0
m
U0
B
m,q
磁场偏转
由： qvB m v2 r
得： r mv qB
电场加速
由：
qU0
1 mv2 2
得： v 2qU0
m
得： r 1 2mU0 Bq
质谱仪
弗朗西斯•阿斯顿
质谱仪
让某种中性气体分子在电 离室A内被电离成离子，大量 的电荷量相同，质量不同的同 位素，经同一电场U加速后， 经S3孔进入匀强磁场，由于其 圆周运动的轨道半径不同，就 会打在照相底片D的不同位置， 出现一系列的谱线。
回旋加速器
回旋加速器
讨论1：视频中，为了保 证带电粒子每次到达D形盒缝 隙间都能被加速，那D形盒缝 隙的电场方向应该是恒定的还 是变化的呢？
回旋加速器
1. 变化电场
回旋加速器
讨论2：你认为这个电场变化 的周期是恒定的吗？你分析的依据 是什么呢？
回旋加速器
1. 变化电场
T 2 m
qB
回旋加速器
由： qvB m v2 r
得： r mv qB
再由： T 2 r 2 m
v qB
科学探究
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。
科学探究
设计实验方案：如何分离不同比荷的带电粒子？
U0
L
m,q
（1）先加速
Ud y
（2）再偏转
U0
L
m,q
质谱仪
科学探究
在粒子物理学的研究中，经常需要高能粒子做为“炮弹” 去轰击未知原子，以便“打开”其内部结构。那如何才能获得 需要的高能粒子呢？
NqU 1 mv2 2
能不能设计一种能实现多次加速，又减少占地空间的加速器呢？
U
B
m,q
qU 1 mv2 2
回旋加速器
世界上第一台回旋加速器（劳伦斯）
高的超级粒子同步回旋 加速器，直径达2公里左 右，能量可达500GeV。
美国费米实验室
小结
电场对带电粒子的作用
磁场对带电粒子的作用
一. 质谱仪
小结
二. 回旋加速器
由：r 1 2mU
Bq
得：
q m
8U B2D2
1.条件：
T电
T磁
2 m
qB
2.粒子能量：
Ek
1 2
mv2
q2B2r2 2m
同学们，再见！
（2）再偏转
Ud y
（1）先加速
由：
qU0
1 mv2 2
得： v 2qU0
m
U0
L
m,q
（2）再偏转
Ud y
（1）先加速
由：
qU0
1 mv2 2
得： v 2qU0
m
由水平： x v t 由竖直： y 1 qU t2
2 md
得： y U x2
4dU0
U0
B
m,q
电场加速
由：
qU0