1.4 质谱仪与回旋加速器-【状元桥·优质课堂】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第二册（人教版2019）

第一章安培力与洛伦兹力 第4节质谱仪与回旋加速器 答案精解Ps [学习目标]1.知道质谱仪的构造和工作原理（物理观念）.2.知道回旋加速器的构造和工作原理（物理观 念).3.会分析带电粒子在质谱仪和回旋加速器中的运动，并知道决定粒子最大动能的因素（科学思维）. 课前·教材预案 教材梳理 作用：带电粒子经过该区域时被 知识点一 质谱仪 (2)磁场的特点及作用 特点：D形盒处于与盒面垂直的 磁 1.构造：主要构件有加速 、偏转 场中. 和照相底片 作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做 2.运动过程（如图所示） 运动，从而改变运动 圆周 后再次进人电场 自主检测 1,判断下列说法的正误， B, (1)回旋加速器工作时，电场必须是周期性变 化的： () (1)加速：带电粒子经过电压为U的加速电场加 (2)回旋加速器中，磁场的作用是改变粒子速 1 速 一22.由此可得 度的方向，便于多次加速， () (2)偏转：垂直进入磁感应强度为B的匀强磁 (3)粒子在回旋加速器中加速次数的多少是由 场中，做匀速圆周运动，= ,可得r= 磁场决定的。 2.(多选)如图所示是质 加速电场 3.分析：从粒子打在底片D上的位置可以测出圆 谱仪的工作原理示意速度选抒器 周的半径r,进而可以算出粒子的 图.带电粒子被加速电 A.L 4.应用：可以测定带电粒子的质量和分析 场加速后，进入速度选 知识点二回旋加速器 择器.速度选择器内存 L.回旋加速器的构造：两个D形盒.两D形盒接 在相互正交的匀强磁场和匀强电场.匀可强磁场 流电源，D形盒处于垂直于D形盒的 的磁感应强度为B,匀强电场的电场强度为E 匀强 中，如图所示 平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒 子位置的胶片A1A.平板S下方有磁感应强 度为B。的匀强磁场.下列表述正确的是 A.质谱仪是分析同位素的重要工具 交流电源 B.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 2.工作原理 (1)电场的特点及作用 C能通过狭缝P的带电粒子的速率等于骨 特点：两个D形盒之间的窄缝区域存在 D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子 的电场. 的比荷越小 ·21· 物理选择性必修第二册课堂学案 课堂·深度探究 考点一 质谱仪 C.只要x相同，则离子的质量一定相同 【情境导学】当带电粒子垂直射人匀强电场和匀 D.只要x相同，则离子的比荷一定相同 强磁场时，分析带电粒子在电场和磁场中的 思维导引：(1)同位素具有相同质子数和不同 运动有何不同？ 的中子数，即9不同：(2)在加速电场中应用 动能定理，在磁场中应用牛顿第二定律找出 相应关系，然后列式整理得出x的关系式 【变式1】如图所示，有a、b、c、d四个离子，它们带 等量同种电荷，质量不等，有m。=6<m m以不等的速率v。<h=u<w进入速度 【知识拓展】 选择器后，有两种离子从速度选择器中射出 L.带电粒子的运动分析 进入B2磁场，由此可以判定 () (1)加速电场加速：gU= 2m. A,A xi x (2)匀强磁场偏转：gB=m心 (3)结论：r=N9 1 (2mU ,粒子比荷9= 2U m B2,产，质 A.射向P,的是a离子 量m=B2 B.射向P2的是b离子 2U· C.射向A,的是d离子 2.质谱仪区分同位素：同位素电荷量9相同，质 D.射向A2的是c离子 量不同由一受知，在质谐仪照相底片 考点二 回旋加速器理解 上显示的位置就不同，故能据此区分同位素 【情境导学】可以利用静电力对带电粒子做功增 【例题1】（多选）质谱仪是一种 加粒子的能量，由gU=△E可知，电压越高， 测定带电粒子质量和分析 粒子增加的能量就越大，但是技术上不能产 同位素的重要工具，它的构 生过高的电压.解决的途径是进行多次加速， 造原理如图所示.离子源S 这就是直线加速器，但是设备会非常长，那么 可以发出各种不同的正离m中 怎么解决这个问题呢？ 子束，离子从S出来时速度 很小，可以认为是静止的.离子经加速电场加 速后垂直进入有界匀强磁场（图中实线框所 示)，并沿着半圆周运动到照相底片上的P 点，测得P点到入口处S:的距离为x下列 说法正确的是 () A.若离子束是同位素，则x越大，离子的质量 【知识拓展】 越大 L.粒子被加速的条件 B.若离子束是同位素，则x越大，离子的质量 交变电压的周期等于粒子在磁场中做匀速圆 越小 周运动的周期. ·22· 第一章安培力与洛伦兹力 2.粒子的最大动能 中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭 (1)粒子做匀速圆周运动的最大半径等于D形 缝时都能得到加速，两D形金属盒处在垂直 盒的半径 于盒底的匀强磁场中，如图所示.设D形盒半 (2)已知D形盒半径R,根据R=可推出带 径为R,若用回旋加速器加速质子时，匀强磁 场的磁感应强度为B,高频交流电频率为「， 电粒子