質(zhì)譜儀與回旋加速器上節(jié)課我們知道了帶電粒子在勻強磁場中的運動洛倫茲力總是與粒子的運動方向垂直，只改變粒子速度的方向，不改變粒子速度的大小。且由于粒子速度的大小不變，粒子在勻強磁場中所受洛倫茲力的大小也不改變，洛倫茲力對粒子起到了向心力的作用。帶電粒子在磁場中做圓周運動的半徑和周期帶電粒子運動軌跡的半徑r=mv/qB；帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動時周期T=2πm/qB。預(yù)習(xí)教材20~23頁，思考下列問題：1.質(zhì)譜儀的基本用途、工作原理是什么？2.回旋加速器的基本構(gòu)造、工作原理是什么？在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)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(zhì)的成分。利用所學(xué)的知識，你能設(shè)計一個方案，以便分開電荷量相同、質(zhì)量不同的帶電粒子嗎？

一、質(zhì)譜儀漢武帝(1)原理圖：加速圓周運動粒子源

19世紀末，湯姆孫的學(xué)生阿斯頓就按照這樣的想法設(shè)計了質(zhì)譜儀，并用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了氖-20和氖-22，證實了同位素的存在。后來經(jīng)過多次改進，質(zhì)譜儀已經(jīng)成為一種十分精密的儀器，是科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中的重要工具。

粒子源發(fā)出粒子初速度略有不同，可以增加速度選擇器加速選擇速度圓周運動粒子源電場中直線型加速器——多級加速ABCDEF

怎樣多級加速呢？電源

例1.如圖是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖，帶電粒子被加速電場加速后，進入速度選擇器。速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強磁場和勻強電場的強度分別為B和E。平板S上有可讓粒子通過的狹縫P和記錄粒子位置的膠片。平板S下方有磁感應(yīng)強度為的勻強磁場。下列表述正確的是()A．質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具B．速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向外C．能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于E/BD．粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的荷質(zhì)比越小ABC解析：質(zhì)譜儀是測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具，A對。速度選擇器中電場力與洛倫茲力是一對平衡力，即qvB＝qE，故v＝E/B。據(jù)左手定則可以確定，速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向外，B、C對。粒子在勻強磁場中運動的半徑r＝mv/qB，即粒子的荷質(zhì)比q/m＝v/Br，由此看出粒子運動的半徑越小，粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的荷質(zhì)比越大，D錯。故選：ABC。如下圖所示，設(shè)空間存在豎直向下的勻強電場和垂直紙面向里的勻強磁場，已知一粒子在重力、電場力和洛倫茲力作用下，從靜止開始自A點沿曲線ACB運動，到達B點時速度為零，C點是運動的最低點，以下說法正確的是(

)A．這粒子必帶正電荷B．A點和B點在同一高度C．粒子在C點時速度最大D．粒子到達B點后，將沿曲線返回A點變式訓(xùn)練：ABC解析：根據(jù)粒子彎曲方向，可知受洛倫茲力方向必沿彎曲方向，判斷出粒子必帶正電．而粒子在A、B兩點時速度都為零，在運動過程中洛倫茲力不做功，這樣重力功和電場力功應(yīng)均為零．即A、B點在同一高度；粒子到達最低點C點，電場力功和重力功最大，速度達到最大，而粒子到B點后將沿同樣路徑向右偏轉(zhuǎn)。答案ABC

技法點撥：1932年美國物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明的回旋加速器是利用電場對電荷的加速作用和磁場對運動電荷的偏轉(zhuǎn)作用，在較小的范圍內(nèi)來獲得高能粒子的裝置。二、回旋加速器(1)構(gòu)造圖：如圖粒子m、q回旋加速器的核心部件是:兩個D形盒（半圓金屬盒）(2)原理：1、粒子第一次經(jīng)加速電場加速后進入磁場，轉(zhuǎn)半周后，再進入D形盒狹縫之間的加速電場此時電場方向已經(jīng)與第一次加速時反向,粒子進行第二次加速，而后重復(fù)上述運動。2、粒子每在磁場中轉(zhuǎn)半周，就在電場中加速一次，直到軌道半徑達到D形盒半徑為止，粒子被加速到最大速度。3、加速電場是周期性變化的，必須由周期性變化的交流電源提供R0

T2T3T0

R0求回旋加速器的應(yīng)用題應(yīng)注意以下兩點：(1)交流電的周期與粒子做圓周運動的周期相同回旋加速器才能正常工作。(2)根據(jù)勻速圓周運動知識求出粒子最大速度的表達式，再據(jù)此判斷它與何物理量有關(guān)。例2.用回旋加速器來加速質(zhì)子，為了使質(zhì)子獲得的動能增加為原來的4倍，原則上可以采用下列哪幾種方法()A．將其磁感應(yīng)強度增大為原來的2倍B．將其磁感應(yīng)強度增大為原來的4倍C．將D形盒的半徑增大為原來的2倍D．將D形盒的半徑增大為原來的4倍AC

變式訓(xùn)練：C解析:小圓環(huán)c從大圓環(huán)頂點下滑過程中，重力和電場力對小圓環(huán)做功，當速度與重力和電場力的合力垂直時，外力做功最多，即速度最大，如下圖所示，可知C選項正確。故選：C。(1)交流電的周期與粒子做圓周運動的周期相同回旋加速器才能正常工作。(2)根據(jù)勻速圓周運動知識求出粒子最大速度的表達式，再據(jù)此判斷它與何物理量有關(guān)。技法點撥：一、質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀是利用電場和磁場控制電荷運動的精密儀器，它是測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具。二、回旋加速