1.4 质谱仪与回旋加速器（导学案）-2022-2023学年高二物理同步备课精编优选课件+导学案（人教版2019选择性必修第二册）

第4节　质谱仪与回旋加速器 【知识梳理】 一、质谱仪： 1.构造：由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成。 2.原理： ①加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理：qU＝mv2。 ②偏转：带电粒子进入质谱仪的偏转磁场，洛伦兹力提供向心力：qvB＝。 由以上两式可以求出粒子的比荷、质量以及偏转磁场的磁感应强度等。 二、回旋加速器： 1.构造：两半圆金属盒D1、D2 ，D形盒的缝隙处接交流电源。D形盒处于匀强磁场中。 2.原理： ①粒子从电场中获得动能，磁场的作用是改变粒子的速度方向。 ②周期：交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相等，周期T＝，与粒子速度大小v无关(选填“有关”或“无关”)。 ③粒子的最大动能Ekm＝mv2，再由qvB＝m得：Ekm＝，最大动能决定于D形盒的半径r和磁感应强度B。 【方法突破】 一、质谱仪 ■方法归纳 1.原理：如图所示。 2.加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得：Uq＝mv2。 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：qvB＝。 4.由(2)(3)中两式可以求出粒子的半径r、质量m、比荷等。其中由r＝可知电荷量相同时，半径将随质量变化。 5.质谱仪的应用：可以测定带电粒子的质量和分析同位素。 【例1】图示装置叫质谱仪，最初是由阿斯顿设计的，是一种测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。其工作原理如下：一个质量为m、电荷量为的离子，从容器A下方的小孔飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为，然后经过沿着与磁场垂直的方向，进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相的底片D上。不计离子重力。则（　　） A．离子进入磁场时的速率为 B．离子在磁场中运动的轨道半径为 C．离子在磁场中运动的轨道半径为 D．若a、b是两种同位素的原子核，从底片上获知a、b在磁场中运动轨迹的直径之比是：，则a、b的质量之比为： 【针对训练1】如图所示，一束带电粒子以一定的初速度沿直线通过由相互正交的匀强磁场磁感应强度为B和匀强电场（电场强度为E）组成的速度选择器，然后粒子通过平板上的狭缝进入另一匀强磁场（磁感应强度为），最终打在上，下列表述正确的是（　　） A．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里 B．所有打在上的粒子，在磁感应强度为的磁场中的运动时间都相同 C．能通过狭缝的带电粒子的速率等于 D．粒子打在的位置越靠近，粒子的比荷越小 2、 回旋加速器 ■方法归纳 1.工作原理：如图所示，D1和D2是两个中空的半圆形金属盒，它们之间有一定的电势差U，A处的粒子源产生的带电粒子在两盒之间被电场加速。D1、D2处于与盒面垂直的匀强磁场B中，粒子将在磁场中做匀速圆周运动，经半个圆周(半个周期)后，再次到达两盒间的缝隙，控制两盒间电势差，使其恰好改变电场的方向，于是粒子在盒缝间再次被加速，如果粒子每次通过盒间缝隙均能被加速，粒子速度就能够增加到很大。 2.周期：粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子绕圆周运动的周期不变。 3.最大动能：由qvB＝和Ek＝mv2得Ek＝。 【例2】回旋加速器是由两个D形金属盒组成，中间网状狭缝之间加电压（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的匀强磁场中，如图所示，下列说法合理的是（　　） A．粒子在磁场中运动周期是电场变化周期的2倍 B．粒子每次回到狭缝时，电场的方向都要改变 C．粒子射出D型盒时获得的最大速度与电场强度大小有关，与D型盒的半径、磁感应强度大小都无关。 D．用回旋加速器加速质子后，若不改变磁感应强度和电场变化的周期，该回旋加速器也能用于加速电子 【针对训练2】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极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使处于两个D形金属盒中心的带电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的匀强磁场中，如图所示。某回旋加速器可将原来静止的质子（）加速到最大速率，使它获得的最大动能为。若带电粒子的初速度、所受重力、通过狭缝的时间均可忽略不计，且不考虑相对论效应，则用该回旋加速器加速氚核（）时，以下说法正确的是（　　） A．能使原来静止的氚核获得的最大速率为 B．能使原来静止的氚核获得的动能为 C．加速质子的总次数与加速氚核总次数之比为 D．加速质子的交流电场周期与加速氚核的交流电场周期之比为 【巩固提升】 1．速度相同的一束粒子由左端射入质谱仪后分成甲、乙两束，其运动轨迹如图所示，其中，则下列说法正确的是（　　） A．甲束粒子带正电，乙束粒子带负电 B．甲束粒子的比荷小于乙束粒子的比荷 C．能通过狭缝的带电粒子的速率等于 D．若甲、乙两束粒子的电荷量相等，则甲、乙两束粒子的质量比为3：2 2．如图所示为某种质谱仪工作