带电粒子在匀强磁场中的运动(二）学生版.doc

如皋薛中2008-2009学年度高一第二学期物理选修3-1活动单 带电粒子在匀强磁场中的运动（二） 活动一、 通过回顾速度选择器理解质谱仪工作原理 即时训练1、若使一束质子、α粒子组成的射线在正交电磁场中沿直线00/从O/点进入匀强磁场B2，而形成两条径迹，如图所示（ ） A、在O/点各粒子的速度相等 B、在O/点各粒子的动能相等 C、1是质子的径迹 D、2是α粒子的径迹 一、质谱仪： (1)质谱仪的结构： 质谱仪由静电加速电极、速度选择器、偏转磁场、显示屏等组成。 (2)质谱仪的工作原理： 即时训练2、如右图所示，一质量为m，电荷量为q的粒子从容器A下方小孔S1飘入电势差为U的加速电场。然后让粒子垂直进入磁感应强度为B的磁场中做匀速圆周运动，最后打到照相底片D上，求： ①粒子进入磁场时的速率； ②粒子在磁场中运动的轨道半径。 解： 从解答结果看： r和进入磁场的速度 （填“有关”或“无关”），进入同一磁场时，r∝ ，而且这些量中， 可以直接测量，那么，我们可以用装置来测量粒子的 。 质子数相同而质量数不同的原子互称为 。在上图中，如果容器A中含有电荷量相同而质量有微小差别的粒子，根据即时训练1中的结果可知，它们进入磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，打到照相底片不同的地方，在底片上形成若干谱线状的细条，叫质谱线。每一条对应于一定的质量，从谱线的位置可以知道圆周的半径r，如果再已知带电粒子的电荷量q，就可算出它的质量。这种仪器叫做质谱议。 (3)质谱仪的应用 质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计的，他用质谱仪首先得到了氖20和氖22的质谱线，证实了同位素的存在。后来经过多次改进，质谱仪已经成了一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。 二、回旋加速器： ⑴利用电场加速：经过多次电场直线加速。(下左图为一级直线加速电场) 由动能定理得ΔEk＝ 即 v＝ 这种加速受到实际所能达到的电势差的限制，粒子获得的能量并不太高，一次只能达到几十万到几兆电子伏。要使带电粒子获得的能量增大，可以设想让粒子经过多次电场来加速。（右图为多级直线加速电场） 带电粒子增加的动能ΔEk＝ 但是想实现这一设想，需要建一个很长很长的实验装置，其中包含多级提供加速电场的装置。多级加速的方法可行，但所占的空间范围大。 图5即时训练3、N个长度逐渐增大的金属圆筒和一个靶，它们沿轴线排列成一串，如右图所示(图中画出五、六个圆筒，作为示意图)。各筒和靶相间地连接到频率为f，最大电压值为U的正弦交流电源的两端。整个装置放在高真空容器中，圆筒的两底面中心开有小孔。现有一电荷量为q，质量为m的正离子沿轴线射入圆筒，并将在圆筒间及靶间的缝隙处受到电场力的作用而加速(设圆筒内部没有电场)，缝隙的宽度很小，离子穿缝隙的时间可以不计，已知离子进入第一个圆筒左端的速度为v1，且此时第一、二两个圆筒间的电势差为U1－U2＝－U。为使打在靶上的离子获得最大能量，各个圆筒的长度应满足什么条件？并求出在这种情况下打到靶子上的离子的能量， 图5 解: ⑵回旋加速器 其结构如教材P101图3.6-6所示。 核心部件为两个 （加 场）和其间的 （加 场） ②基本用途： 1932年美国物理学家劳伦斯发明的回旋加速器是利用电场对电荷的 作用和磁场对运动电荷的 作用，在较小的范围内来获得高能粒子的装置。 ③工作原理 如右图所示，放在A0处的粒子源发出一个带正电的粒子，它以某一速率v0垂直进入匀强磁场，在磁场中做匀速圆周运动，经过半个周期，当它沿着半圆弧A0A1到达A1时，在A1A1′处遇到一个向上的电场，使这个带电粒子在A1A1′处受到一次电场的加速，速率由v0增加到v1，然后粒子以速率v1在磁场中做匀速圆周运动。我们知道，粒子的轨道半径跟它的速率成正比，因而粒子将沿着半径增大了的圆周运动，又经过半个周期，当它沿着半圆弧A1′A2′到达A2′时，在A2′A2处遇到一个向下的电场，使粒子又一次受到电场的加速，速率增加到v2，如此继续下去，每当粒子运动到A1A1′、A3A3＇、A5A5＇等处时都使它受到向上电场的加速，每当粒子运动到A2′A2、A4′A4、A6′A6等处时都使它受到向下电场的加速，粒子将沿着图示的螺线A0A1 A1′ 带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期T＝ ，跟运动速率和轨道半径无关，对一定的带电粒子和一定的磁场来说，这个周期是恒定