第1章 4 质谱仪与回旋加速器-2021-2022学年新教材高中物理选择性必修第二册【名师导航】同步Word教参(人教版)

4.质谱仪与回旋加速器 学习目标：1.[科学态度和责任]知道质谱仪的工作原理。　2.[科学态度和责任]知道回旋加速器的工作原理。 一、质谱仪 1．原理：如图所示。 2．加速 带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得： Uq＝mv2。 ① 3．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：qvB＝。 ② 4．由①②两式可以求出粒子的半径r、质量m、比荷等。其中由r＝可知电荷量相同时，半径将随质量变化。 5．质谱仪的应用 可以测定带电粒子的质量和分析同位素。 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，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，其轨道半径就增大一些，但粒子绕圆周运动的周期不变。 3．最大动能 由qvB＝和Ek＝mv2得Ek＝。 1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”) (1)利用回旋加速器加速带电粒子，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R。 (√) (2)利用质谱仪可以测得带电粒子的比荷。 (√) (3)回旋加速器工作时，电场必须是周期性变化的。 (√) (4)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。 (√) 2．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　　　B．12　　　C．121　　　D．144 D　[根据动能定理可得：qU＝mv2 ，带电粒子进入磁场时速度v＝ ，带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的向心力由洛伦兹力提供，qvB＝ ，解得：m＝，所以此离子和质子的质量比约为144，故A、B、C错误，D正确。] 3．(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源相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，重力不计，下列说法中正确的是(　　) A．增加交流电的电压 B．增大磁感应强度 C．改变磁场方向 D．增大加速器的半径 BD　[根据qBv＝m解得v＝，则带电粒子射出时的动能为：Ek＝mv2＝，那么动能与磁感应强度的大小和D形盒的半径有关，增大磁感应强度B或半径R，均能增大带电粒子射出时的动能，B、D正确。] 质谱仪 1．一束质量、速度和电荷量不同的正离子垂直地射入匀强磁场和匀强电场正交的区域，结果发现有些离子保持原来的运动方向，未发生任何偏转，它们速度有什么特点？ 2．如果让这些不偏转离子进入另一匀强磁场中，发现这些离子又分裂成几束，对这些进入另一磁场的离子，它们的比荷是否相同？ 提示：1.相等　2.不同 1．电场和磁场都能对带电粒子施加影响，电场既能使带电粒子加速，又能使带电粒子偏转；磁场虽不能使带电粒子速率变化，但能使带电粒子发生偏转。 2．质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量及轨道半径确定其质量的仪器，叫作质谱仪。 【例1】　质谱仪是一种测定带电粒子的质量及分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示，离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看成为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x。 (1)设离子质量为m、电荷量为q、加速电压为U、磁感应强度大小为B，求x的大小。 (2)氢的三种同位素H、H、H从离子源S出发，到达照相底片的位置距入口处S1的距离之比xH：xD：xT为多少？ [解析]　(1)离子在电场中被加速时，由动能定理qU＝mv2 进入磁场时洛伦兹力提供向心力，qvB＝，又x＝2r， 由以上三式得x＝。 (2)氢的三种同位素的质量数分别为1、2、3，由(1)结果知， xH：xD：xT＝：：＝1∶∶。 [答案]　(1)　(2)1∶∶ 1. (多选)质谱仪的原理如图所示，虚线AD上方区域处在垂直纸面向外的匀强磁场中，C、D处有一荧光屏。同位素离子源产生a、b两种电荷量相同的离子，无初速度进入加速电场，经同一电压加速后，垂直进入磁场，a离子恰好打在荧光屏C点，b离子恰好打