质谱仪与回旋加速器 PPT
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质谱仪和回旋加速器.pptx
v qBR0 m
Ek
1 2
mv2
Ek
q2 B2 R02 2m
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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？
（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？
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q
-
o
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？
第8页/共14页
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三、回旋加速器 （一）直线加速器
1.加速原理：利用加速电场对带电粒子做正
功使带电粒子的动能增加，qU=Ek．
2.直线加速器，多级加速 如图所示是多级加速装置的原理图：
3.困难：技术上不能产生过高电压；加速设备长。
第10页/共14页
三、回旋加速器
（一）直线加速器 （二）回旋加速器
1、轨道半径
V
带电粒子只受洛伦兹力，作圆 - F洛 周运动，洛伦兹力提供向心力：
qvB m v2 r
解得：r mv qB
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一、带电粒子在匀强磁场中的运动
沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在 匀强磁场中做匀速圆周运动。
1、轨道半径 r mv
qB
2、运行周期 T 2r 2m
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
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
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
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
第4节 质谱仪与回旋加速器 教学课件
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第一章 安培力与洛伦兹力
14
解析：由 r＝mqBv 知，当 r＝R 时，质子有最大速度 vm＝qBmR，即 B、R 越大，vm 越大，vm 与加速电压无关，A 正确，B、C 错误；由上面周期 公式知氦核(42He)与质子做圆周运动的周期不同，故此装置不能用于加速 度氦核(42He)，D 错误。
左手定则知，带电粒子所受的洛伦兹力方向竖直向上，则电场力的方向
竖直向下，知电场强度的方向竖直向下，所以速度选择器的 P1 极板带正 电，B 错误；进入 B2 磁场中的粒子速度是一定的，根据 qvB＝mvr2 得 r
＝mqBv，知 r 越大，比荷
q m
越小，而质量 m 不一定大，C 正确，D 错误。
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B．速度选择器的 P1 极板带负电
√C．在 B2 磁场中运动半径越大的粒子，比荷
q m
越小
D．在 B2 磁场中运动半径越大的粒子，质量越大
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第一章 安培力与洛伦兹力
12
解析：带电粒子在 B2 磁场中向下偏转，磁场的方向垂直于纸面向外，根 据左手定则知，该束带电粒子带正电，A 错误；在平行金属板间，根据
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第一章 安培力与洛伦兹力
7
知识点2Байду номын сангаас回旋加速器
1．回旋加速器的结构 两个中空的__半__圆__金__属__盒____D1和D2，处于与盒面垂直的___匀__强__磁__场_____ 中，D1和D2间有一定的电势差，如图所示。
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第一章 安培力与洛伦兹力
8
2．回旋加速器原理：带电粒子在 D 形盒中只受__洛__伦__兹__力______ 的作用
质谱仪与回旋加速器_课件
回旋加速器的原理
D 形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应强度为B，交变电压的电压为U，则: (1)从出口射出时，粒子的动能Ek=? (2)要增大粒子的最大动能可采取哪些措施?
回旋加速器原理的反思
据上问，D 越大，EK 越大，是不是只要D 不断增大，EK就可以无限制增 大呢？ E k 不能无限制地增大，按照狭义相对论，粒子的质量随速度的增加而增大， 而质量的变化会导致其回转周期的变化，从而破坏与电场变化周期的同步。
这种现象是如何发生的？
霍尔效应
当带电粒子通过磁场区域时，由于洛伦兹力的作用，正、负离子分别向哪偏？
根据左手定则，
v 正离子向上偏；负离子向下偏
导体板上下两面，哪一面电势高，哪一面电势低？ 上表面电势高，下表面电势低。
霍尔效应
试推导离子流稳定时，上下两板间形成的电场的电势差是多少？
带电粒子在复合场中运动在科技中的应用有很多。 我们先来看一下速度选择器。
速度选择器
知道速度选择器的基本构造。 掌握速度选择器的应用。
速度选择器
速度选择器如何选择出具有一定速度的粒子？ 粒子能够通过速度选择器的条件:
qE＝qvB
速度选择器能把具有某一特定速度的粒子选择出来，是质谱仪的重要组成部分。
回旋加速器的原理
带电粒子在D形盒内做圆周运动的周期随半径的增大会不会发生变化？
与v、r无关
T 不变
回旋加速器的原理
在回旋加速器中，如果两个D型盒不是分别接在高频交流电源的两极上，而 是接在直流的两极上，那么带电粒子能否被加速？请在图中画出粒子的运 动轨迹。
要使粒子每次经过电场都被加速，应 在电极上加一个交变电压。
有没有什么办法可以让带电粒子在加速后又转回来被第二次加速，如此反复“ 转圈圈”式地被加速，加速器装置所占的空间不是会大大缩小吗？
人教版2019高中物理选择性必修第二册 质谱仪与回旋加速器(课件)31张ppt
以使带电粒子获得任意高的能量吗？
回旋加速器不可无限加速：
粒子速度v接近光速c时，质量变大，在磁场中
运动周期改变，与交变电场周期不同步。
2 m
T
qB
改进：
课堂总结
一. 质谱仪
二. 回旋加速器
1、条件：
1 2mU
r
B
q
q
8U
2 2
m B D
2、粒子能量：
3、运动时间：
2 m
T电 T磁
其周期和速率、半径均无关，带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行
电场方向进入电场中加速．
(2)电场的作用：
回旋加速器的两个 D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两 D形盒正对截面的
匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速．
(3)交变电压：
为了保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，须在窄缝两侧加上跟带
第一章 安培力与洛伦兹力力
§1.4 质 谱 仪 与 回 旋 加 速 器
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？
分开比荷不同的带电粒子的方案
猜想一：先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使带电粒子偏转，从而把它们分开。
照相底片
加速电场
速度选择器
偏转磁场
质谱仪
3.原理：
1
2
经加速电场获得速度： =
2
=
经速度选择器时速度为0 ： = 0
02
在偏转磁场中： 0 0 =
回旋加速器不可无限加速：
粒子速度v接近光速c时，质量变大，在磁场中
运动周期改变，与交变电场周期不同步。
2 m
T
qB
改进：
课堂总结
一. 质谱仪
二. 回旋加速器
1、条件：
1 2mU
r
B
q
q
8U
2 2
m B D
2、粒子能量：
3、运动时间：
2 m
T电 T磁
其周期和速率、半径均无关，带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行
电场方向进入电场中加速．
(2)电场的作用：
回旋加速器的两个 D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两 D形盒正对截面的
匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速．
(3)交变电压：
为了保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，须在窄缝两侧加上跟带
第一章 安培力与洛伦兹力力
§1.4 质 谱 仪 与 回 旋 加 速 器
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？
分开比荷不同的带电粒子的方案
猜想一：先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使带电粒子偏转，从而把它们分开。
照相底片
加速电场
速度选择器
偏转磁场
质谱仪
3.原理：
1
2
经加速电场获得速度： =
2
=
经速度选择器时速度为0 ： = 0
02
在偏转磁场中： 0 0 =
课件1：1.4质谱仪与回旋加速器
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：r = mv
qB2
(4) 在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r
(5) 联立以上各式可得粒子的比荷和质量分别为
q m
=
8U B22 x22
m = qB22 x22 8U
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。
例3：如图是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒 置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核(H)和氦核(He)。下 列说法中正确的是( AC ) A．它们的最大速度相同 B．它们的最大动能相同 C．它们在D形盒中运动的周期相同 D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能
③交变电压的作用 为保证粒子每次经过狭缝时都被加速，使之能量不断提高，需在狭缝两侧加上 跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压。
由于技术条件的限制，两极电压不可能无限提高，因此常常采用多级加速的办法。
在多级加速器中粒子做直线运动，加速装置要很长很长，占有的空间范围很大， 在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。
说明： 1. 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。 2. 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. 回旋加速器加速的带电粒子，能量达到25 ~ 30MeV后。就很难加速了，原因 是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度的增加而增大，而质量的变化会导 致其回转周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。
1.4 质谱仪与回旋加速器
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
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：
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．
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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＝
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：
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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
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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？
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＝
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：
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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
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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？
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)
nd 1 at 2
2
a qU0 md
t BRd
U0
粒子做圆周运动的总时间
t0
nT 2
BR 2 π 2U 0
所以粒子运动的总时间： 知识拓展：
t BR2π BRd
2U 0
U0
即： t BR（ πR d)
U0 2
通常情况下，R》d，也就是粒子加速的时间与粒子做圆周运动的时间
相比可以忽略不计，所以在前面讨论交变电流的变化周期时不需要考虑粒
m
（2）再偏转(匀速圆周运动）
qvB m v2 r
r mv qB
得： r 1 2mU0
Bq
由粒子的轨道半径表达式可知，比荷不同的带电粒子的 半径不同，这种方法可以分开比荷不同的粒子。
一、质谱仪（初代）
思考：初速度不等于0的话，结果怎样？
弊端：初速度不等于0的话，区别不开。
一、质谱仪（升级版）
U2 = B1d
2eU1 m
（3）在c中，e受洛伦兹力作用而做圆周运动，回转半径
R = mv，代入v值得 R = 1 2U1m
eB2
B2 e
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
②两个D形扁平铜盒：使D形盒内部有磁场没有电场。 使带电粒子的圆周运动不受电场影响。
③D形盒间的窄缝：使带电粒子在这一区间被电场 加速。
二、回旋加速器
3、原理：
（1）加速条件
带电粒子在D形盒中运行的周期：
T回旋
2ππ qB
每过 t T m 电场方向要改变一次，以