第一章安培力與洛倫茲力1.4質(zhì)譜儀與回旋加速器目錄CONTENTS1

學(xué)習(xí)目標(biāo)2

新課導(dǎo)入3

新課講解4

當(dāng)堂小練1.了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的工作原理.2.知道帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)實(shí)例.

學(xué)習(xí)目標(biāo)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(kāi)，以便知道其中所含物質(zhì)的成分。利用所學(xué)的知識(shí)，你能設(shè)計(jì)一個(gè)方案，以便分開(kāi)電荷量相同、質(zhì)量不同的帶電粒子嗎？新課導(dǎo)入

質(zhì)譜儀是用來(lái)分離同位素、檢測(cè)它們的相對(duì)原子質(zhì)量和相對(duì)豐度的儀器。

我們知道，電場(chǎng)可以對(duì)帶電粒子施加作用力，磁場(chǎng)也可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的帶電粒子施加作用力。阿斯頓1、質(zhì)譜儀的構(gòu)造質(zhì)譜儀主要由以下幾部分組成：①帶電粒子注入器②加速電場(chǎng)(U)③速度選擇器(B1、E)④偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(B2)⑤照相底片一、質(zhì)譜儀新課講解（若無(wú)速度選擇器）2、質(zhì)譜儀的工作原理由上式可知同位素電荷量相同，但質(zhì)量有微小差別。那x就會(huì)不同，也就是說(shuō)在照相底片上會(huì)打到不同的位置，從而在底片上出現(xiàn)一系列的分立的亮線(xiàn)，這就稱(chēng)為質(zhì)譜線(xiàn)或譜線(xiàn)。（若有速度選擇器）例1、如圖所示為質(zhì)譜儀的原理圖，一束粒子以速度v沿直線(xiàn)穿過(guò)相互垂直的勻強(qiáng)電場(chǎng)(電場(chǎng)強(qiáng)度為E)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)(磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1)的重疊區(qū)域，然后通過(guò)狹縫S0垂直進(jìn)入另一勻強(qiáng)磁場(chǎng)(磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2)，最后打在照相底片上的三個(gè)不同位置，粒子的重力可忽略不計(jì)，則下列說(shuō)法正確的是(

)A．該束粒子帶負(fù)電B．P1板帶負(fù)電C．粒子的速度v滿(mǎn)足關(guān)系式D．在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2的磁場(chǎng)中，運(yùn)動(dòng)半徑越大的粒子，荷質(zhì)比

越小D當(dāng)堂小練

例2、質(zhì)譜儀原理如圖所示，a為粒子加速器，電壓為U1；b為速度選擇器，磁場(chǎng)與電場(chǎng)正交，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，板間距離為d；c為偏轉(zhuǎn)分離器，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2。今有一質(zhì)量為m、電荷量為＋e的正電子(不計(jì)重力)，經(jīng)加速后，該粒子恰能通過(guò)速度選擇器，粒子進(jìn)入分離器后做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。求：（1）粒子射出加速器時(shí)的速度v為多少？（2）速度選擇器的電壓U2為多少？（3）粒子在B2磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R為多大？

解析：（1）在a中，e被加速電場(chǎng)U1加速，由動(dòng)能定理有，得（2）在b中，e受的電場(chǎng)力和洛倫茲力大小相等，即，代入v值得

（3）在c中，e受洛倫茲力作用而做圓周運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)半徑，代入v值得例3、現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來(lái)分析比質(zhì)子重很多倍的離子，其示意圖如圖所示，其中加速電壓恒定．質(zhì)子在入口處從靜止開(kāi)始被加速電場(chǎng)加速，經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后從出口離開(kāi)磁場(chǎng)．若某種一價(jià)正離子在入口處從靜止開(kāi)始被同一加速電場(chǎng)加速，為使它經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開(kāi)磁場(chǎng)，需將磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到原來(lái)的12倍．此離子和質(zhì)子的質(zhì)量比約為(

)A．11

B．12C．121 D．144D在圖1.4-2所示的多級(jí)加速器中，各加速區(qū)的兩板之間用獨(dú)立電源供電，所以粒子從P2飛向P3、從P4飛向P5……時(shí)不會(huì)減速。由于粒子在加速過(guò)程中的徑跡為直線(xiàn)，要得到較高動(dòng)能的粒子，其加速裝置要很長(zhǎng)。要認(rèn)識(shí)原子核內(nèi)部的情況，必須把核“打開(kāi)”進(jìn)行“觀察”。然而，原子核被強(qiáng)大的核力約束，只有用極高能量的粒子作為“炮彈”去轟擊，才能把它“打開(kāi)”。產(chǎn)生這些高能“炮彈”的“工廠(chǎng)”就是各種各樣的粒子加速器新課講解1932年,美國(guó)物理學(xué)家勞侖斯發(fā)明了回旋加速器，從而使人類(lèi)在獲得具有較高能量的粒子方面邁進(jìn)了一大步．為此，勞侖斯榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．二、回旋加速器1、回旋加速器的構(gòu)造：①粒子源；②兩個(gè)D形盒；③勻強(qiáng)磁場(chǎng)；④高頻電源；⑤粒子引出裝置。說(shuō)明：兩D形盒中有勻強(qiáng)磁場(chǎng)無(wú)電場(chǎng)，盒間縫隙有交變電場(chǎng)2、回旋加速器的工作原理利用電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的加速作用和磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的偏轉(zhuǎn)作用來(lái)獲得高能粒子，這些過(guò)程在回旋加速器的核心部件——兩個(gè)D形盒和其間的窄縫內(nèi)完成。~電場(chǎng)→加速磁場(chǎng)→偏轉(zhuǎn)獲得高能粒子（2）磁場(chǎng)的作用

磁場(chǎng)約束偏轉(zhuǎn)：（1）電場(chǎng)的作用：

電場(chǎng)加速：根據(jù)動(dòng)能定理：qU＝ΔEk.（3）加速條件：高頻電源的周期與帶電粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)的周期相同，即：3、決定粒子射出D形盒時(shí)最大速率的因素：當(dāng)粒子從D形盒邊緣引出時(shí)，最后半圓應(yīng)滿(mǎn)足：即（vm與B、R有關(guān)，而與加速電壓U無(wú)關(guān)）U每次ΔvΔr次數(shù)少t短U每次ΔvΔr次數(shù)多t長(zhǎng)4、帶電粒子的最終能量

5、粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t1，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為

(n是粒子被加速次數(shù))，總時(shí)間為t＝t1＋t2，因?yàn)閠1?t2，一般認(rèn)為在盒內(nèi)的時(shí)間近似等于t2.6、軌道半徑：

帶電粒子在D形金屬盒內(nèi)運(yùn)動(dòng)的軌道半徑是不等距分布的，粒子第一次進(jìn)入D形金屬盒Ⅱ，被加速一次，以后每次進(jìn)入D形盒Ⅱ都被加速兩次，粒子第n次進(jìn)入D形盒Ⅱ時(shí)，已經(jīng)被加速（2n+1）次，帶電粒子在D形盒內(nèi)任意兩個(gè)相鄰的圓形軌道半徑之比：ⅡⅠ

這個(gè)過(guò)程看似可以一直進(jìn)行下去，但實(shí)際上由于相對(duì)論的效應(yīng)，粒子的質(zhì)量會(huì)隨著速度增，圓周運(yùn)動(dòng)的周期也增加，這樣電場(chǎng)于運(yùn)動(dòng)不在同步，也就沒(méi)辦法加速了。AB當(dāng)堂小練例3、回旋加速器是用來(lái)加速帶電粒子使它獲得很大動(dòng)能的儀器，其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒，兩盒分別和一高頻交流電源兩極相連，以便在盒間的窄縫中形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，使粒子每次穿過(guò)窄縫都得到加速，兩盒放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近，若粒子源射出的粒子電荷量為q，質(zhì)量為m，粒子最大回旋半徑為Rm，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，問(wèn)：Ut-U(1)盒中有無(wú)電場(chǎng)？(2)粒子在盒內(nèi)做何種運(yùn)動(dòng)？(3)所加交流電頻率應(yīng)是多大，粒子角速度為多大？(4)粒子離開(kāi)加速器時(shí)速度是多大，最大動(dòng)能為多少？(5)設(shè)兩D形盒間電場(chǎng)的電勢(shì)差為U，求加速到上述能量所需的時(shí)間．(不計(jì)粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間)帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)實(shí)例1、電磁流量計(jì)(1)結(jié)構(gòu)：如圖所示，圓形導(dǎo)管直徑為d，用非磁性材料制成，導(dǎo)電液體在管中向左流動(dòng)，導(dǎo)電液體中的自由電荷(正、負(fù)離子)在洛倫茲力的作用下橫向偏轉(zhuǎn)，a、b間出現(xiàn)電勢(shì)差，形成電場(chǎng)．新課講解(2)原理：當(dāng)自由電荷所受的電場(chǎng)力和洛倫茲力平衡時(shí)，a、b間的電勢(shì)差就保持穩(wěn)定，即：所以因此液體流量例：為監(jiān)測(cè)某化工廠(chǎng)的污水排放量，技術(shù)人員在該廠(chǎng)的排污管末端安裝了如圖所示的長(zhǎng)方體流量計(jì)．該裝置由絕緣材料制成，其長(zhǎng)、寬、高分別為a、b、c，左右兩端開(kāi)口．在垂直于上下底面方向加一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，前后兩個(gè)內(nèi)側(cè)面分別固定有金屬板作為電極．污水充滿(mǎn)管口從左向右流經(jīng)該裝置時(shí)，接在M、N兩端間的電壓表將顯示兩個(gè)電極間的電壓U，若用Q表示污水流量(單位時(shí)間內(nèi)排出的污水體積)，下列說(shuō)法中正確的是(

)A．M端的電勢(shì)比N端的高B．電壓表的示數(shù)U與a和b均成正比，與c無(wú)關(guān)C．電壓表的示數(shù)U與污水的流量Q成正比D．若污水中正負(fù)離子數(shù)相同，則電壓表的示數(shù)為0C當(dāng)堂小練2．霍爾效應(yīng)：(1)定義：在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中放置一個(gè)矩形截面的載流導(dǎo)體，當(dāng)磁場(chǎng)方向與電流方向垂直時(shí)，導(dǎo)體在與磁場(chǎng)、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)了電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電勢(shì)差稱(chēng)為霍爾電勢(shì)差（霍爾電壓），其原理如圖所示．實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，電勢(shì)差U、電流I和B的關(guān)系為式中的比例系數(shù)k稱(chēng)為霍爾系數(shù)．新課講解(2)電勢(shì)高低的判斷：如圖，金屬導(dǎo)體中的電流I向右時(shí)，根據(jù)左手定則可得，金屬中的自由電子