第一章 4 质谱仪与回旋加速器（配套课件）-2021-2022学年高二物理【步步高】学习笔记（人教版选择性必修第二册）

4　质谱仪与回旋加速器 第一章　安培力与洛伦兹力 【学习目标】 1.知道质谱仪的构造及工作原理，会确定粒子在磁场中运动 的半径，会求粒子的比荷. 2.知道回旋加速器的构造及工作原理，知道交流电的周期与 粒子在磁场中运动的周期之间的关系，知道决定粒子最大 动能的因素. 【内容索引】 梳理教材 夯实基础 探究重点 提升素养 随堂演练 逐点落实 课时 对点练 3 SHULIJIAOCAI　 HANGSHIJICHU 梳理教材　夯实基础 1 一、质谱仪 1.质谱仪构造：主要构件有加速 、偏转 和照相底片. 2.运动过程(如图1) 电场 磁场 图1 (1)带电粒子经过电压为U的加速电场加速，____ ＝ (2)垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，做匀 速圆周运动，r＝ ，可得r＝ . 3.分析：从粒子打在底片D上的位置可以测出圆周的半径r，进而可以算出粒子的 . qU 比荷 二、回旋加速器 1.回旋加速器的构造：两个D形盒，两D形盒接 流电源，D形盒处于垂直于D形盒的匀强 中，如图2. 交 磁场 图2 2.工作原理 (1)电场的特点及作用 特点：两个D形盒之间的窄缝区域存在 的电场. 作用：带电粒子经过该区域时被 . (2)磁场的特点及作用 特点：D形盒处于与盒面垂直的 磁场中. 作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做 运动，从而改变运动 ， 圆周后再次进入电场. 周期性变化 加速 匀强 匀速圆周 方向 半个 判断下列说法的正误. (1)质谱仪工作时，在电场和磁场确定的情况下，同一带电粒子在磁场中的半径相同.(　　) (2)因不同原子的质量不同，所以同位素在质谱仪中的轨迹半径不同. (　　) (3)利用回旋加速器加速带电粒子，要提高加速粒子的最终速度，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R.(　　) (4)增大两D形盒间的电压，可以增大带电粒子所获得的最大动能.(　　) 即学即用 √ √ √ × 返回 TANJIUZHONGDIAN　 TISHENGSUYANG 探究重点　提升素养 2 导学探究 一、质谱仪 如图3所示为质谱仪原理示意图.设粒子质量为m、电荷量为q，加速电场电压为U，偏转磁场的磁感应强度为B，粒子从容器A下方的小孔S1飘入加速电场，其初速度几乎为0.则粒子进入磁场时的速度是多大？打在底片上的位置到S3的距离多大？ 图3 知识深化 1.带电粒子运动分析 例1　(2018·全国卷Ⅲ)如图4，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U加速后在纸面内水平向右运动，自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直.已知甲种离子射入磁场的速度大小为v1，并在磁场边界的N点射出；乙种离子在MN的中点射出；MN长为l.不计重力影响和离子间的相互作用.求： (1)磁场的磁感应强度大小； 图4 解析　设甲种离子所带电荷量为q1，质量为m1，在磁场中做匀速圆周运动的半径为R1，磁场的磁感应强度大小为B， 由几何关系知2R1＝l ③ (2)甲、乙两种离子的比荷之比. 答案　1∶4 解析　设乙种离子所带电荷量为q2，质量为m2，射入磁场的速度为v2，在磁场中做匀速圆周运动的半径为R2. 针对训练　(2020·云南省下关第一中学高二期中)如图5所示为质谱仪的示意图，速度选择器部分的匀强电场的场强为E＝1.2×105 V/m，匀强磁场的磁感应强度为B1＝0.6 T；偏转分离器的磁感应强度为B2＝0.8 T.求：(已知质子质量为1.67×10－27 kg) (1)能通过速度选择器的粒子的速度大小； 图5 答案　2×105 m/s　 解析　能通过速度选择器的粒子所受电场力和洛伦兹力大小相等、方向相反，有eB1v＝eE (2)质子和氘核以相同速度进入偏转分离器后打在照相底片上的条纹之间的距离d. 答案　5.2×10－3 m 解析　粒子进入磁场B2后做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力， 设质子质量为m，则氘核质量为2m， 导学探究 二、回旋加速器 回旋加速器两D形盒之间有窄缝，中心附近放置粒子源(如质子、氘核或α粒子源)，D形盒间接上交流电源，在狭缝中形成一个交变电场.D形盒上有垂直盒面的匀强磁场(如图6所示). 图6 (1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？对交流电源的周期有什么要求？在一个周期内加速几次？ 答案　磁场的作用是使带电粒子回旋，电场的作用是使带电粒子加速.交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期.一个周期内加速两次.