第1章 第4节 质谱仪与回旋加速器（Word教参）-【优化指导】2021-2022学年新教材高中物理选择性必修第二册(人教版2019)

第4节　质谱仪与回旋加速器 课程内容要求 核心素养提炼 1.了解质谱仪的结构，知道其工作原理，会解决带电粒子运动的相关问题． 2．了解回旋加速器的结构，知道其工作原理，会解决带电粒子加速的相关问题． 1.科学思维：通过带电粒子在质谱仪和回旋加速器的运动分析，体会物理模型在探索自然规律中的作用． 2．科学态度与责任：通过质谱仪和回旋加速器在实际生活中的应用，体会科学技术对社会发展的促进作用． [对应学生用书P14] 1．质谱仪的用途：测定带电粒子比荷和分析同位素的重要工具． 2．质谱仪的工作原理 (1)粒子经过同一电场加速，由动能定理知qU＝mv2. (2)垂直进入同一匀强磁场中后做匀速圆周运动，由qvB＝m得：r＝ . [判断] (1)同位素经加速电场加速后获得的速度相同．(×) (2)因不同原子的质量不同，所以同位素在质谱仪中的运动半径不同．(√) 1．回旋加速器的工作原理：回旋加速器主要由两个中空的半圆金属盒组成，它们之间的电场使带电粒子加速，垂直于两盒盒面的磁场使带电粒子回旋． 2．交流电源的周期：回旋加速器交流电源的周期等于带电粒子在磁场中的运动周期． [思考] 回旋加速器所用交流电源的周期由什么决定？ 提示　为了保证每次带电粒子经过两盒的缝隙时均被加速，使之能量不断提高，交流电源的周期必须等于带电粒子在回旋加速器中做匀速圆周运动的周期，即T＝.因此，交流电源的周期由带电粒子的质量m、带电粒子的带电量q和加速器中的磁场的磁感应强度B来决定． [对应学生用书P15] 探究点一　质谱仪 在如图所示的质谱仪中，粒子在S1区域做什么运动？在S2区域做什么运动？粒子进入磁场时的速率为多大？粒子在磁场中运动的轨道半径是多大？ 提示　在S1区域做初速度为零的匀加速直线运动．在S2区域做匀速直线运动． 进入磁场时的速率v＝. 在磁场中运动的轨道半径r＝. 1．原理图：如图所示． 2．过程分析 (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，则qvB＝. 由以上两式可以求出粒子的运动半径r、质量m、比荷等．其中由r＝ 可知粒子的电荷量相同时，其轨道半径将随质量变化． 3．质谱仪的应用：可以测定带电粒子的比荷和分析同位素． 如图所示，在x轴的上方存在垂直于纸面向里、磁感应强度大小为B0的匀强磁场，位于x轴下方的离子源C发射一束质量为m、电荷量为q的负离子，其初速度大小范围为0～v0.这束离子经电势差为U＝的电场加速后，从小孔O(坐标原点)垂直于x轴射入磁场区域，最后打到x轴上．在x轴上2a～3a区间水平固定放置一探测板(a＝)，离子重力不计． (1)求离子束从小孔O射入磁场后打到x轴的区间； (2)调整磁感应强度的大小，可使速度最大的离子恰好打在探测板的右端，求此时磁感应强度大小B1. 解析　(1)对于初速度为0的离子：qU＝mv1， qv1B0＝m1 解得r1＝＝＝a 即离子恰好打在x＝2a的位置 对于初速度为v0的离子：qU＝mv2－m(v0)2 qv2B0＝m 解得r2＝＝＝2a 即离子恰好打在x＝4a的位置 离子束从小孔O射入磁场后打在x轴上的区间为[2a，4a]. (2)由动能定理得：qU＝mv2－m(v0)2 由洛伦兹力提供向心力得：qv2B1＝m r3＝a 解得B1＝B0. 答案　(1)[2a，4a]　(2)B0 [题后总结]　应用质谱仪的两点注意事项 (1)质谱仪的原理中包括粒子的加速、受力的平衡(速度选择器)、牛顿第二定律和匀速圆周运动等知识． (2)分析粒子的运动过程，建立各运动阶段的模型，理清各运动阶段之间的联系，根据带电粒子在不同场区的运动规律列出对应的方程． [训练1]　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　[设质子的质量和电荷量分别为m1、q1，一价正离子的质量和电荷量分别为m2、q2.对于任意粒子，在加速电场中，由动能定理得 qU＝mv2－0① 在磁场中qvB＝m② 由①②式联立得m＝.由题意知，两种粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径r相同，加速电压U不变，其中B2＝12B1，q1＝q2，可得＝＝144，故选项D正确．] 探究点二　回旋加速器 (1)右图为回旋加速器的原理图．回旋加速器所加的电场和磁场各起什么作用？电场为什么是交变电场？ (2)粒子每次经过