第1章 第4节 质谱仪与回旋加速器（Word教参）-【优化指导】2022-2023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 核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任 了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。 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。 了解回旋加速器面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。 [对应学生用书P23] 知识点一 质谱仪 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的位置不同。 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＝❶。 4．结论：r＝，测出粒子的半径r，进而可算出粒子的质量m或比荷。 5．应用：可以测定带电粒子的质量和分析同位素❷。 1．质谱仪中的加速电场使粒子获得速度。(　　√　　) 2．同位素在质谱仪中的轨道半径相同。(　　×　　) 3．在某一质谱仪中，若不同粒子飘入加速电场后到达底片的位置不同，它们的质量一定不同。(　　×　　) 知识点二 回旋加速器 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❸。 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交变电压❹。 作用：带电粒子经过该区域时被加速❺。 (2)磁场的特点及作用 特点：D形盒处于与盒面垂直的匀强磁场中。 作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，从而改变运动方向，半个周期后再次进入电场。 1．回旋加速器工作时，电场必须是周期性变化的。(　　√　　) 2．回旋加速器中，磁场的作用是改变粒子速度的方向，便于多次加速。(　　√　　) 3．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。(　　×　　) 批注❶：由v＝及r＝可以求出粒子的比荷＝。设带电粒子的偏转距离为x(x＝2r)，则x＝，说明凡是比荷不相等的粒子都被分开，并按比荷的大小顺序排列。 批注❷：同位素：质量数不同，但核电荷数相同。 批注❸：直线加速器构造简单，但需多次加速，设备很长。而回旋加速器将直线变为圆周，占用空间小。 批注❹：交变电压的作用：在两D形盒狭缝间产生周期性变化的电场，使带电粒子每经过狭缝一次加速一次。 批注❺：为了保证粒子经过D形盒中间的加速电场时都能被加速，交流电源的周期应与带电粒子在磁场中的运动周期相同。 [对应学生用书P24] 探究点一　对质谱仪工作原理的理解　(科学思维之提升) ►情境探究 质谱仪是一种分析同位素、测定带电粒子比荷及质量的重要工具。观察下列图片，思考并回答下列问题： 　　 (1)S1、S2之间的电场起什么作用？ 提示：使粒子加速，获得一定的速度。 (2)同位素的特点是什么？经过加速电场获得的动能有什么特点？ 提示：同位素的特点是电荷量相等，质量不相等。由于电荷量相等，同位素经过同一加速电场获得的动能相等。 (3)粒子打在底片上的位置到S3的距离有多大？ 提示：。 ►探究归纳 1．在S1与S2之间得以加速的粒子的电性是固定的，因此进入偏转磁场空间的粒子的电性也是固定的。 2．打在底片上同一位置的粒子，只能判断其是相同的，不能确定其质量或电荷量一定相同。 ►对点例练 (2022·广西百色高二期末)如图所示是一台质谱仪的工作原理图，电荷量均为＋q、质量不同的离子飘入电压为U0的加速电场，其初速度几乎为零。这些离子经加速后通过狭缝O沿着垂直磁场的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后打在底片上，已知ON水平，放置底片的区域MN＝L，且OM＝L。某次测量发现MN中左侧区域MQ损坏，检测不到离子，但右侧区域QN仍能正常检测到离子。在适当调节加速电压后，原本打在区域MQ的离子即可在区域QN检测到。求： (1)原本打在MN中点P的离子的质量m； (2)离子在磁场中的运动时间t； (3)为使原本打在P点的离子能打在QN区域，求加速电压U的调节范围。 答案：(1)　(2)　(3)≤U≤ 解析：(1)对离子在加速电场，由动能定理得 qU0＝mv 在磁场中做匀速圆周运动有 qv0B＝m 联立解得r0＝ 离子打在P点的轨迹半径r0＝L 解得m＝ (2)离子在磁场中做匀速圆周运动的周期T＝ 在磁场中运动的时间t＝＝ (3)由(1)知，当离子在磁场中运动半径为r时，有 qU＝mv2 qvB＝m 解得加速电压U＝ 离子打在Q点有r1＝L 解得U1＝ 离子打在N点有r2＝L 解得U2＝ 所求电压的范围为≤U≤ [练1] (2022·北京四中高二期末)铀235的进一步研究在核能的开发和利用中具有重要意义。如图所示，质量为m、电荷量为q的铀235离子，从容器A下方的小孔S1不断飘入加速电场，其初速度可视为零，然后经过小孔S2垂直于磁场方向进入磁