第4节　质谱仪与回旋加速器 教学课件

物理第一章安培力与洛伦兹力第4节质谱仪与回旋加速器[学习目标]1．了解质谱仪的工作原理。2．了解回旋加速器的工作原理。01必备知识素养奠基02关键能力素养形成03分层演练素养达标知识点1质谱仪1．原理图：如图所示。qvB质量[判一判]1．(1)质谱仪只能区分电荷量不同的粒子。(

)(2)质谱仪是测量带电粒子质量和分离同位素的仪器。(

)×√知识点2回旋加速器1．回旋加速器的结构两个中空的______________D1和D2，处于与盒面垂直的______________中，D1和D2间有一定的电势差，如图所示。半圆金属盒匀强磁场洛伦兹力匀速圆周增大速度不变[判一判]2．(1)回旋加速器的半径越大，带电粒子获得的最大动能就越大。(

)(2)利用回旋加速器加速带电粒子，要提高加速带电粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R。(

)(3)带电粒子做匀速圆周运动的半径与带电粒子进入磁场时速度的大小有关，而周期与速度、半径都无关。(

)√√√1．(质谱仪)1922年英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究荣获了诺贝尔化学奖。若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列相关说法正确的是(

)√√3．(速度选择器)(多选)如图所示，在两平行金属板间有正交的匀强电场和匀强磁场，匀强磁场的方向垂直于纸面向里，匀强电场的方向竖直向下，有一正离子恰能以速率v沿直线从左向右水平飞越此区域，则(

)A．若电子以速率v从右向左飞入，电子也沿直线运动B．若电子以速率v从右向左飞入，电子将向上偏转C．若电子以速率v从右向左飞入，电子将向下偏转D．若电子以速率v从左向右飞入，电子也沿直线运动√√4．(磁流体发电机)(多选)磁流体发电是一项新兴技术。如图所示，平行金属板之间有一个很强的匀强磁场，将一束含有大量正、负带电粒子的等离子体，沿图中所示方向喷入磁场，图中虚线框部分相当于发电机，把两个极板与用电器相连，则(

)

A．用电器中的电流方向为从A到BB．用电器中的电流方向为从B到AC．若只增强磁场，发电机的电动势增大D．若只增大粒子速度，发电机的电动势增大√√√探究一质谱仪【问题导引】质谱仪能否测量未知电荷量的粒子的质量？提示：不能。3．分析判断：根据带电粒子在磁场中做圆周运动的半径大小，就可以判断带电粒子比荷的大小，如果测出半径且已知电荷量，就可以求出带电粒子的质量。【例1】质谱仪原理示意图如图所示，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，匀强电场的电场强度为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点垂直于MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN为边界、方向垂直于纸面向外的匀强磁场。带电粒子经偏转磁场后，最终到达照相底片的H点。可测量出G、H间的距离为L，带电粒子的重力可忽略不计。求：(1)粒子从加速电场射出时速度v的大小。(2)粒子速度选择器中匀强磁场的磁感应强度B1的大小和方向。(3)偏转磁场的磁感应强度B2的大小。[针对训练1]现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为(

)

A．11∶1

B．12∶1 C．121∶1 D．144∶1√探究二回旋加速器【问题导引】回旋加速器的构造图如图所示。

回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？对交流电源的周期有什么要求？带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？【例2】有一回旋加速器，其匀强磁场的磁感应强度为B，所加速的带电粒子质量为m，电荷量为q。(1)求回旋加速器所加高频交流电压的周期T′的表达式；(2)如果D形盒半圆周的最大半径R＝0.6m，用它来加速质子，能把质子(质量m＝1.67×10－27kg，电荷量q＝1.6×10－19C)从静止加速到具有4.0×107eV的能量，求所需匀强磁场的磁感应强度B。[针对训练2]

(多选)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，两个D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法正确的是(

)A．增大匀强电场间的加速电压B．增大磁场的磁感应强度C．增加周期性变化的电场的频率D．增大D形金属盒的半径√√探究三叠加场内的应用实例【问题导引】1．速度选择器有什么特点？2．磁流体发电机有什么优点？提示：1.能把具有一定速度的粒子选择出来。2．它可以把内能直接转化为电能。1．速度选择器(1)平行板中电场强度E和磁感应强度B互相垂直。这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来，所以叫作速度选择器(如图所示)。√【例4】电磁流量计广泛应用于测量可导电流体(如污水)在管中的流量(单位时间内通过管内某横截面的流体的体积)。为了简化，假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道，其中空的部分的长、宽、高分别为图中的a、b、c。流量计的两端与输送流体的管道相连(图中虚线)，图中流量计的上、下两面是金属材料，前、后两面是绝缘材料，现给流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前、后两面，当导电流体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两面分别与一串联了电阻R的电流表的两端连接，I表示测得的电流值，已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为(

)√[解析]

如图甲所示，两极板(上、下两面)间距为c，磁场方向如图中所示。当外电路断开时，运动电荷受洛伦兹力作用而偏转，两极板带电(两极板作为电路供电部分)而使电荷受电场力，当运动电荷稳定时，两极板所带电荷量最多，两极板间的电压最大，等于电源电动势E。测量电路可等效成如图乙所示。[针对训练3]

(2022·河北石家庄二中期末)关于下列四幅图的说法正确的是(

)A．图甲是回旋加速器的示意图，要想带电粒子获得的最大动能增大，可增大加速电压B．图乙是磁流体发电机的示意图，可以判断出B极板是发电机的负极，A极板是发电机的正极C．图丙是速度