高中物理56洛伦兹力与现代科技课件(沪科版选修3-1)

1、第第6课时课时 洛伦兹力与现代科技洛伦兹力与现代科技学学 习习 目目 标标思思 维维 启启 迪迪1.知道回旋加速器的知道回旋加速器的构造和工作原理构造和工作原理2.知道质谱仪的构造知道质谱仪的构造和工作原理和工作原理. 为了研究物质的微观结构，科学为了研究物质的微观结构，科学家必须用各种各样的加速器产生出速家必须用各种各样的加速器产生出速度很大的高能粒子欧洲核子研究中度很大的高能粒子欧洲核子研究中心的粒子加速器周长达心的粒子加速器周长达27 km(如图如图561中的大圆中的大圆)，为什么加速器需要那，为什么加速器需要那么大的周长呢？么大的周长呢？ 图图5-6-1一、回旋加速器一、回旋加速器1结

2、构：回旋加速器主要由圆柱形磁极、结构：回旋加速器主要由圆柱形磁极、_金属盒、金属盒、 _电源、粒子源和粒子引出装置等组电源、粒子源和粒子引出装置等组成成知识梳理知识梳理两个两个D形形高频交变高频交变二、质谱仪二、质谱仪1质谱仪的作用质谱仪的作用利用磁场对带电粒子的偏转，利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器定其质量的仪器2构造构造如图如图562所示，主要由以所示，主要由以下几部分组成：下几部分组成：带电粒子注入器带电粒子注入器加速电场加速电场(U) 图图5-6-2速度选择器速度选择器(B1、E)偏转磁场偏转磁场(B2)照相底片照相底

3、片3速度选择器原理速度选择器原理(1)粒子受力特点：同时受方向相反的电场力和粒子受力特点：同时受方向相反的电场力和磁场力作用磁场力作用注意注意：速度选择器两极板间距离极小，粒子稍速度选择器两极板间距离极小，粒子稍有偏转，即打到极板上有偏转，即打到极板上速度选择器对正、负电荷均适用速度选择器对正、负电荷均适用速度选择器中的速度选择器中的E、B1的方向具有确定的关系，的方向具有确定的关系，仅改变其中一个方向，就不能对速度做出选择仅改变其中一个方向，就不能对速度做出选择4质谱仪的工作原理质谱仪的工作原理如图如图562所示，设进入加速电场的带电粒子所示，设进入加速电场的带电粒子带电荷量为带电荷量为q、

4、质量为、质量为m，电场两板间电压，电场两板间电压U、粒、粒子出电场后垂直进入磁感应强度为子出电场后垂直进入磁感应强度为B2的匀强磁场的匀强磁场1如图如图563所示，水平导线中有所示，水平导线中有电流电流I通过，导线正下方的电子初速度的方通过，导线正下方的电子初速度的方向与电流向与电流I的方向相同，则电子将的方向相同，则电子将 ()A沿路径沿路径a运动，轨迹是圆运动，轨迹是圆B沿路径沿路径a运动，轨迹半径越来越大运动，轨迹半径越来越大C沿路径沿路径a运动，轨迹半径越来越小运动，轨迹半径越来越小D沿路径沿路径b运动，轨迹半径越来越小运动，轨迹半径越来越小答案答案：B基础自测基础自测图图5-6-32

5、电子在匀强磁场中做匀速圆周运动下列说电子在匀强磁场中做匀速圆周运动下列说法正确的是法正确的是 ()A速率越大，周期越大速率越大，周期越大B速率越小，周期越大速率越小，周期越大C速度方向与磁场方向平行速度方向与磁场方向平行D速度方向与磁场方向垂直速度方向与磁场方向垂直答案答案：D31930年劳伦斯制成了世界上第年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图一台回旋加速器，其原理如图564所示，这台加速器由两个铜质所示，这台加速器由两个铜质D形盒形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说构成，其间留有空隙，下列说法正确的是法正确的是 ()A离子由加速器的中心附近进离子由加速器的中心附近进入加速器入

6、加速器B离子由加速器的边缘进入加离子由加速器的边缘进入加速器速器 C离子从磁场中获得能量离子从磁场中获得能量D离子从电场中获得能量离子从电场中获得能量答案答案：AD 图图5-6-44经过回旋加速器加速后，带电粒子获得的动经过回旋加速器加速后，带电粒子获得的动能能 ()A与与D形盒的半径无关形盒的半径无关B与高频电源的电压无关与高频电源的电压无关C与两与两D形盒间的缝隙宽度无关形盒间的缝隙宽度无关D与匀强磁场的磁感应强度无关与匀强磁场的磁感应强度无关答案答案：BC5如图如图565是质谱仪的工作原是质谱仪的工作原理示意图带电粒子被加速电场加速后，理示意图带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器速度

7、选择器内相互正进入速度选择器速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和和E.平板平板S上有可让粒子通过的狭缝上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片和记录粒子位置的胶片A1A2.平板平板S下方下方有强度为有强度为B0的匀强磁场下列表述正确的匀强磁场下列表述正确的是的是 () 图图5-6-5A质谱仪是分析同位素的重要工具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速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外C能通过狭缝能通过狭缝P的带电粒子的速率等于的带电粒子的速率等于E/BD粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝粒子打在胶片上的位置越靠近狭

8、缝P，粒子的，粒子的荷质比越小荷质比越小答案答案：ABC工作原理工作原理 利用电场对带电粒子的加速利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的两个回旋加速器的两个D形盒和其间形盒和其间的窄缝内完成，如图的窄缝内完成，如图566所所示示回旋加速器回旋加速器图图5-6-6(2)电场的作用：回旋加速器的两个电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的匀强电场，方向垂直的窄缝区域存在周期性变化的匀强电场，方向垂直于两于两D形盒正对的截面，带电粒子经过该区域时被加形盒正对的

9、截面，带电粒子经过该区域时被加速速(3)交变电压：为了保证带电粒子每次经过窄缝交变电压：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，须在窄缝两侧加时都被加速，使之能量不断提高，须在窄缝两侧加上跟带电粒子在上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压形盒中运动周期相同的交变电压带电粒子的最终能量带电粒子的最终能量 可见，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能可见，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度增大磁感应强度B和和D形盒的半径形盒的半径R.【例例1】 有一回旋加速器，它的高频电源的频有一回旋加速器，它的高频电源的频率为率为1.2107 Hz，D形盒的半径为形盒的半径为0

10、.532 m，求加速，求加速氘核时所需的磁感应强度为多大？氘核所能达到的氘核时所需的磁感应强度为多大？氘核所能达到的最大动能为多少？最大动能为多少？(氘核的质量为氘核的质量为3.31027 kg，氘，氘核的电荷量为核的电荷量为1.61019 C)答案答案：1.55 T2.641012 J【题后反思题后反思】 回旋加速器中粒子在磁场中做回旋加速器中粒子在磁场中做圆周运动的周期等于圆周运动的周期等于D形盒所加交变电压的周期形盒所加交变电压的周期 用一台回旋加速器来加速质子时，为使质用一台回旋加速器来加速质子时，为使质子获得的动能增加为原来的子获得的动能增加为原来的4倍，则可以采取的方法倍，则可以采

11、取的方法是是 ()A将回旋加速器的磁感应强度将回旋加速器的磁感应强度B增大到原来的增大到原来的2倍倍B将磁感应强度将磁感应强度B提高到原来的提高到原来的4倍倍C将将D形盒的直径增大到原来的形盒的直径增大到原来的4倍倍D将将D形盒的直径和磁感应强度形盒的直径和磁感应强度B各增大到原各增大到原来的来的 2倍倍解析解析：本题的关键是知道回旋加速器使粒子获：本题的关键是知道回旋加速器使粒子获得的最大动能与哪些客观因素得的最大动能与哪些客观因素(回旋加速器构造回旋加速器构造)有怎有怎样的关系样的关系 答案答案：A(1)质谱仪是用来测定比荷，质谱仪是用来测定比荷，以鉴定同位素的装置该装置以鉴定同位素的装置

12、该装置包含三部分：其一是粒子加速包含三部分：其一是粒子加速器，其二是速度选择器，其三器，其二是速度选择器，其三是偏转磁场如图是偏转磁场如图567 所所示示质谱仪质谱仪 图图5-6-7【例例2】 如图如图568所示是所示是一种质谱仪的示意图，从离子源一种质谱仪的示意图，从离子源S产生的正离子，经过产生的正离子，经过S1和和S2之间的之间的加速电场，进入速度选择器，加速电场，进入速度选择器，P1和和P2间的电场强度为间的电场强度为E，磁感应强度，磁感应强度为为B1，离子由，离子由S3射出后进入磁感应射出后进入磁感应强度为强度为B2的匀强磁场区域，由于各的匀强磁场区域，由于各种离子轨道半径种离子轨道

13、半径R不同，而分别射不同，而分别射到底片上不同的位置，形成谱线到底片上不同的位置，形成谱线 图图5-6-8(2)若已知速度选择器中的电场强度若已知速度选择器中的电场强度E和磁场强和磁场强度度B1，R和和B2也知道，则离子的比荷为多少？也知道，则离子的比荷为多少？(3)要使氢的同位素氘和氚的正离子经加速电场要使氢的同位素氘和氚的正离子经加速电场和速度选择器以相同的速度进入磁感应强度为和速度选择器以相同的速度进入磁感应强度为B2的的匀强磁场匀强磁场(设进入加速电场时速度为零设进入加速电场时速度为零)若保持速度选择器的若保持速度选择器的E和和B1不变，则加速电不变，则加速电场场S1、S2间的电压比应为多少？间的电压比应为多少？它们谱线位置到狭缝它们谱线位置到狭缝S3间距离之比为多少？间距离之比为多少？【题后反思题后反思】 质谱仪首先选取速度相同的粒子质谱仪首先选取速度相同的粒子由于不同粒子有不同的比荷，因此打在底片上的不同由于不同粒子有不同的比荷，因此打在底片上的不同位置，所以质谱仪可以分开同位素位置，所以质谱仪可以分开同位素质谱仪原理如图质谱仪原理如图569所示，所示，a为粒子加为粒子加速器，电压为速器，电压为U1，b为速度选择器，磁场与电场正为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为交，磁感应强度为B1，板间距离为，板间距离为d，c为偏转分为偏转分离器，磁