1.4质谱仪与回旋加速器-2022-2023学年高二物理素养提升学案（人教版2019选择性必修第二册）

选择性必修二学案 第一章 安培力与洛伦兹力 4　质谱仪与回旋加速器 一、新课标要求 1．知道质谱仪的构造和原理。 2．知道回旋加速器的构造和原理。 3．会利用力和运动的知识分析带电粒子的运动情况。 二、科学素养要求 1.物理观念：理解质谱仪和回旋加速器中带电粒子运动的受力和运动。 2.科学思维：体会质谱仪和回旋加速器的原理，培养归纳总结、分析推理能力。 3.科学探究：通过了解质谱仪和回旋加速器的发明探索过程，体验科学家探究发明的艰辛。 4.科学态度与责任：知道质谱仪和回旋加速器的应用，培养科学精神和实事求是的科学态度，培养探究科学的兴趣。 三、教材研习 知识点一　质谱仪 [情境导学] 观察下列图片 (1)S1、S2之间的电场起什么作用？ (2)粒子打在底片上的位置到S3的距离有多大？ 提示：(1)使粒子加速，获得一定的速度。 (2) 。 [知识梳理] 1．原理：如图所示，带电粒子经加速电场加速后垂直于磁场方向进入匀强磁场，最后打在照相底片上，不同质量的粒子在照相底片上位置不同。 2．加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场被加速，由动能定理得mv2＝qU，由此可知v＝ 。 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，有qvB＝。 4．结论：r＝ ，测出粒子做匀速圆周运动的轨道半径r，可算出粒子的质量m或比荷。 5．应用：可以测定带电粒子的质量和分析同位素。 [初试小题] 1．判断正误。 (1)质谱仪中的加速电场使粒子获得速度。(√) (2)质谱仪中的磁场使带电粒子偏转打在照相底片上。(√) (3)利用质谱仪可以测得带电粒子的比荷。(√) (4)在某一质谱仪中，若不同粒子飘入加速电场后到达底片的不同点，它们的质量一定不同。(×) 2．质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的一种仪器，它的工作原理如图所示，带电粒子(不计重力，初速度为0)经同一电场加速后，垂直进入同一匀强磁场做匀速圆周运动，然后利用相关规律计算出带电粒子质量。虚线为某粒子运动轨迹，由图可知(　　) A．此粒子带负电 B．下极板S2比上极板S1电势高 C．若只减小加速电压U，则半径r变大 D．若只减小入射粒子的质量，则半径r变小 知识点二　回旋加速器 [情境导学] 如何获得能量极高的粒子？产生过高的电压在技术上可行吗？ 提示：可以通过电场加速获得高能粒子。产生过高的电压在技术上是很困难的。 [知识梳理] 1．构造：两个半圆形金属盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，两金属盒间接交流电源，如图所示。 2．原理：粒子源产生的带电粒子在两盒之间被电场加速，在金属盒内做匀速圆周运动。经半个圆周之后，金属盒间电场反向，粒子又被加速。如此，粒子一次次被加速使速度增加到很大。 3．条件：高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期相同。粒子每经过两金属盒缝隙时都被加速，其轨道半径就大一些，粒子做匀速圆周运动的周期不变。 4．最大动能：由qvB＝和Ek＝mv2，联立解得Ek＝(R为D形盒的半径)，即粒子在回旋加速器中获得的最大动能与q、m、B、R有关，与加速电压无关。 [初试小题] 1．判断正误。 (1)回旋加速器加速电场的周期可以不等于粒子的回旋周期。(×) (2)回旋加速器的半径越大，带电粒子获得的最大动能就越大。(√) (3)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。(√) (4)回旋加速器中带电粒子的动能来自于磁场。(×) 2．[多选]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。设质子的质量为m、电荷量为q，则下列说法正确的是(　　) A．D形盒之间交变电场的周期为 B．质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大 C．质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大 四、要点突破 要点一 质谱仪 [问题探究] 质谱仪能区分氘核(H)与氦核(He)吗？ 提示：由r＝ 可知，对比荷相同的氘核和氦核，其半径相同，打在底片的同一位置，故不能区分。 [要点归纳] 粒子的比荷 叫作比荷，即电荷量与质量的比值。由r＝ 可知，如果带电粒子的电荷量相同，质量有微小差别，就会打在照相底片上的不同位置，可以测出圆周的半径，进而可以算出粒子的比荷。 [例题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，它的构造原理如图所示。离子源S产生的各种不同正离子束(初速度可看作为零)，经加速电场(加速电场极板间的距离为d、电势差为U)加速，然后垂直进入磁感应强度为B的有界匀强磁场中做匀速圆周运动，最后到达记录它的照相底片P上。设离子在P上的位置与入口处S1之间的距离为x。 (1)求该离子的比荷； (2)若离子源产生的是带电荷量为q、