第一章 第4节 质谱仪与回旋加速器(Word教参)-【状元桥·优质课堂】2021-2022学年新教材高中物理选择性必修第二册(人教版)

第4节　质谱仪与回旋加速器 1.知道质谱仪的构造和工作原理. 物理观念 2.知道回旋加速器的构造和工作原理. 物理观念 3.了解回旋加速器的工作基础和影响其最大动能的因素. 科学思维 知识点一　质谱仪 1．工作原理：如图所示，由r＝可知，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时，如果B、v相同，m不同，则r不同，这样就可以把不同的粒子分开． 2．工作过程 (1)加速 带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得qU＝mv2. (2)偏转 带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力得qvB＝. 由上述两式可求出粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径r＝.根据粒子打在底片上的位置测出圆周的半径r，进而可以算出粒子的比荷. 3．质谱仪的应用 可以测定带电粒子的质量和分析同位素. 知识点二　回旋加速器 1．工作原理 如图所示，D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电势差U，A处的粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速．D1、D2处于与盒面垂直的匀强磁场B中，所以粒子将在磁场中做匀速圆周运动，经半个圆周(半个周期)后，再次到达两盒间的缝隙，控制两盒间电势差，使其恰好改变正负，于是粒子在盒缝间再次被加速，如果粒子每次通过盒间缝隙均能被加速，粒子速度就能够增加到很大． 2．周期 粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子做圆周运动的周期不变． 3．最大动能 由qvB＝和Ek＝mv2得Ek＝. 说明：按照狭义相对论，粒子的质量随着速度增加而增大，而质量的变化会导致其回转周期的变化，从而破坏电场变化周期的同步． 1．判断下列说法的正误． (1)回旋加速器工作时，电场必须是周期性变化的．(　　) (2)回旋加速器中，磁场的作用是改变粒子速度的方向，便于多次加速．(　　) (3)粒子在回旋加速器中加速次数的多少是由磁场决定的．(　　) 答案 (1)√　(2)√　(3)× 2．(多选)如图所示是质谱仪的工作原理示意图．带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器．速度选择器内存在相互正交的匀强磁场和匀强电场．匀强磁场的磁感应强度为B，匀强电场的电场强度为E.平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2.平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场．下列表述正确的是(　　) A．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 C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于 D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小 答案　ABC 解析　因同位素原子的化学性质完全相同，无法用化学方法进行分析，故质谱仪就成了同位素分析的重要工具，选项A正确；在速度选择器中，带电粒子所受电场力和洛伦兹力在粒子沿直线运动时应等大反向，结合左手定则可知，选项B正确；再由qE＝qvB有v＝，选项C正确；在磁感应强度为B0的匀强磁场中R＝，所以＝，则越靠近狭缝P，半径R越小，比荷越大，选项D错误. 考点一　对质谱仪的理解 【例题1】 (多选)质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示．离子源S可以发出各种不同的正离子束，离子从S出来时速度很小，可以认为是静止的．离子经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场(图中实线框所示)，并沿着半圆周运动到照相底片上的P点，测得P点到入口处S1的距离为x.下列说法正确的是(　　) A．若离子束是同位素，则x越大，离子的质量越大 B．若离子束是同位素，则x越大，离子的质量越小 C．只要x相同，则离子的质量一定相同 D．只要x相同，则离子的比荷一定相同 思维导引：(1)同位素具有相同质子数和不同的中子数，即不同；(2)在加速电场中应用动能定理，在磁场中应用牛顿第二定律找出相应关系，然后列式整理得出x的关系式． 答案　AD 解析　加速电场中，由qU＝mv2得，离子出电场时速度v＝，在偏转磁场中，离子做圆周运动的半径r＝，又由qvB＝，得m＝＝，若离子束是同位素，即q相等，则x越大，离子的质量m越大，选项A正确，B错误；由上式可得＝，所以只要x相同，离子的比荷就一定相同，选项D正确，C错误． 1.质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具． 2．质谱仪的工作原理是将质量数不等、电荷数相等的不同带电粒子，经同一电场加速后再经速度选择器进入同一磁场偏转，由于粒子质量不同导致轨道半径不同而达到分离不等质量粒子的目的． 【变式1】 质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，匀强磁场与匀强电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2.现有一质量为m、电荷量为e的正粒子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动．问： (1)粒子的速度v为多少？ (2)速度选择器的电压U2为多