第一章 4. 质谱仪与回旋加速器-2022-2023学年新教材高中物理选择性必修第二册【重难点手册】人教版

重雄点手册高中物理选择性必修第二册J 第4节 质谱仪与回旋加速器 重点和雅点 课标要求 重点：质谱仪和回旋加速器的工作原理， 1.能够用学过的知识分析、计算有关带电粒子在匀 难点：带电粒子在匀强磁场中受力、 强磁场中受力、运动的问题 运动的问题， 2.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理. ☑小01必备知识梳理。 基础梳理 联立解得比荷？=8U 8U· 知识点1质谱仪 mBx2,质量m=9Bx 1.基本构造 知识点2回旋加速器 质谱仪是科学研究中用来分析同位素和 1.直线加速器（多级加速器） 测量带电粒子质量的精密仪器。 如图所示，电荷量为q的粒子经过级加 质谱仪的基本构造如图所示：①带电粒子 速后，根据动能定理，获得的动能可以达到 注入器；②加速电场；③速度选择器；④偏转磁 Ek=g(U1十U2十U3十十Um).这种多级加速 场；⑤照相底片. 器通常叫作“直线加速器”. 2.工作原理 PP、PPPP 如图所示，设飘人加速电 场的带电粒子所带的电荷量为 一级一级”级 n级 十q,质量为，加速电场两板 多级直线加速器虽然可以使粒子获得很 间电压为U,粒子出加速电场 高的能量，但体积太大，难以制造，为此，美国 后穿过速度选择器垂直进入磁 科学家劳伦斯发明了回旋加速器， 感应强度为B2的偏转磁场： 2.回旋加速器 (1)在加速电场中，由动能定理得qU (1)回旋加速器的构造 回旋加速器的主要部件 B 2n. 是两个D形盒，匀强磁场垂 2gU 粒子出加速电场时，速度0一、m, 直于盒面使粒子做圆周运动， 在两个D形盒之间加高频交 (2)在偏转磁场中，由牛顿第二定律得 流电使粒子每经过电场一次 9B,=m0 就被加速一次.整个装置要处于真空室内，如 图所示：①粒子源；②两个D形金属盒；③匀强 故轨道半径r=m 2 磁场；④高频电源；⑤粒子引出装置；⑥真空容 偏转距离x=2r 器（图中未标出）. 32 第一章安培力与洛伦兹力 (2)回旋加速器的工作原理 出带电粒子离开加速器时的最大速度yax 如图所示，放在A处的粒子源发出一个 带正电的粒子，它以某一速率垂直进入匀强 gBR m 磁场中，在磁场中做匀速圆周运动.经过半个 m品x可得出带电粒 1 (2)根据Ekmax= 周期，当它沿着半圆弧AA到达A1时，在 A1A处设置一个电场强度向上的电场，使这个 子获得的最大动能Ex=TBR。 21m 带电粒子在A1A处受到一次电场加速，速率 由增加到，然后粒子以速率在磁场中 (3)根据Ekmax=nqU可求出带电粒子在 做匀速圆周运动.我们知道，粒子的轨道半径 电场中被加速的次数n; 跟它的速率成正比，因而粒子将做半径逐渐增 (4)根据1=？T=””可推出带电粒子 2 gB 大的圆周运动.又经过半个周期，当它沿着半 在磁场中的运动时间t. 圆弧A1A2到达A2时，在A2A2处设置一个电场 另外还需加强对回旋加速器工作条件的 强度向下的电场，使粒子又一次受到电场的加 认识，即交变电源的周期与带电粒子在磁场 速，速率增加到，如此继续下去，每当粒子运 中做圆周运动的周期相等 动到A1A1、A3A:等处时都使它受到一个电场 强度向上的电场加速，每当粒子运动到A2A2、 重难拓展 A!A4等处时都使它受到一个电场强度向下的 重难点带电粒子在组合场、叠加场中 电场加速，那么，粒子将沿图示的螺旋线 的运动问题 AA1A1A2A2…回旋下去，速率将一步一步 1.两种模型 地增大，当半径达到最大时，能量也达到最大， 组合场模型：电场、磁场、重力场（或其中 粒子可从D形盒边缘的小孔引出， 两种场)并存，但各位于一定区域，并且互不重 叠的情况. AA A 叠加场模型：电场、磁场、重力场（或其中 AA,A,A A/A.A、A 两种场)并存于同一区域的情况. 2.三种场力 (3)带电粒子的最终能量 重力：G=mg,总是竖直向下，为恒力，做 当带电粒子的速度最大时，其运动半径 功只取决于初、末位置的高度差。 也最大，若D形盒的半径为R,则r=R,带电粒 静电力：F=qE,方向与电场强度方向及电 子的最终动能Emx= 2m=号m19BR12 1 性有关，做功只取决于初、末位置的电势差。 m 洛伦兹力：F洛=qB(v⊥B),方向用左手 BR 2m 定则判定，洛伦兹力永不做功， 划重点 3.几种类型情景 分析回旋加速器的有关问题时常用的 (1)当带电粒子在复合场中做直线运动且 思路如下： 受洛伦兹力时，粒子做匀速直线运动， (1)已知D形盒半径R,根据r=可推 (2)当带电粒子所受的静电力与重力平 Bg 衡，合力为洛伦兹力时，粒子做匀速圆周运动. 33 重雕包手册高中物理选择性必修第二册则 (3)当带电粒子所受的合外力的大小、方 直于纸面向外（图中未画出）.S处有一粒子源， 向均不断变