1.4 质谱仪与回旋加速器（课件PPT）-【新课程学案】新教材2022-2023学年高中物理选择性必修第二册（人教版2019 江苏专版）

第4节　质谱仪与回旋加速器 核心素养导学 物理观念 (1)了解质谱仪和回旋加速器的构造和工作原理。 (2)了解回旋加速器面临的技术难题。 科学思维 经历质谱仪工作原理的推理过程，体会逻辑推理的思维方法。 科学探究 探究质谱仪、回旋加速器、速度选择器、磁流体发电机、霍尔元件等的工作原理。 科学态度与责任 体会科学与技术之间的相互影响，能了解科学、技术、社会、环境的关系，在理论与实践结合的过程中体会成功的喜悦。 qU 二、回旋加速器 1．多级加速器 (1)各加速区的两极板用独立电源供电。 (2)要获得高能量的粒子，加速器装置要很长。 2．回旋加速器 (1)构造：如图所示，D1、D2是两个中空的半圆金属盒，D形盒 的缝隙处接______电源。D形盒处于匀强磁场中。 (2)原理：交流电的周期和粒子做圆周运动的周期_____，粒子在 圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙，两盒间的电势差一次一次地反向，粒子就会被一次一次地加速。 (3)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_____。 交流 相等 不变 5 1．如图所示是质谱仪示意图，它可以测定单个离子的质量，图中离 子源S产生带电荷量为q的离子，经电压为U的电场加速后垂直射 入磁感应强度为B的匀强磁场中，沿半圆轨道运动到记录它的照 相底片P上。判断下列说法的正误。 (1)只要带电粒子的电荷量相同，经加速电场加速后的末速度都相同。 ( ) (2)只要带电粒子的质量不同，打在照相底片上的位置就不同。 ( ) (3)利用质谱仪可以测定带电粒子的比荷。 ( ) × × √ 2．质谱仪和回旋加速器的原理是什么？ 提示：带电粒子在电场中加速，在磁场中做匀速圆周运动。 3.一个用于加速质子的回旋加速器，其核心部分如图所示，D形盒半 径为R，垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B，两盒分别 与交流电源相连。判断下列说法的正误。 (1)在回旋加速器中，质子运动一周被加速两次。 ( ) (2)回旋加速器是利用磁场控制轨道，用电场进行加速的。 ( ) (3)加速电压增大时，质子获得的最大速度也增大。 ( ) √ √ × [典例体验] [典例]　(2022·常州高二检测)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，磁场与电场正交，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。今有一 质量为m、电荷量为e的带正电粒子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入偏转分离器后做匀速圆周运动。求： (1)粒子的速度v为多少？ (2)速度选择器的电压U2为多少？ (3)粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？ [针对训练] 1．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，离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看 作0)，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上的位置到进入磁场处的距离为x，可以判断(　 ) 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，则离子的电荷量一定相等 D．只要x相同，则离子的质量一定相等 答案：A 2．(选自粤教版新教材课后练习)利用质谱仪测量氢元素的同位素， 如图所示，让氢元素的三种同位素氕、氘、氚的离子流从容器 A下方的小孔无初速度飘入电势差为U的加速电场，加速后垂直 进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条质谱线。 (1)在进入磁场时，氢元素的哪种同位素的动能比较大？为什么？ (2)氢元素的哪种同位素在磁场中运动的时间比较长？为什么？ (3)a、b、c三条质谱线分别对应氢元素的哪一种同位素？ [典例体验] [典例]　(2022·镇江高二检测)两个相同的回旋加速器，分别接 在加速电压U1和U2的高频电源上，且U1＞U2，两个相同的带电粒子 分别从这两个加速器的中心由静止开始运动，设两个粒子在加速器 中运动的时间分别为t1和t2，获得的最大动能分别为Ek1和Ek2，则 (　 ) A．t1＜t2，Ek1＞Ek2 B．t1＝t2，Ek1＜Ek2 C．t1＜t2，Ek1＝Ek2 D．t1＞t2，Ek1＝Ek2 [答案]　C [针对训练] 1．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的周期 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，下列说法中正确的是