第1章 4.质谱仪与回旋加速器-【金版新学案】2023-2024学年新教材高二物理选择性必修 第二册同步课堂高效讲义教师用书（人教版）

4.质谱仪与回旋加速器 【学习目标】 学科知识 学科能力 学科素养 1.质谱仪的理解与应用 2．回旋加速器的理解与应用 3．带电粒子在复合场中的运动 1.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理 2．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 3．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 1.科学思维：能自主推导质谱仪的工作原理 2．科学探究：能自主探究回旋加速器交变电流的周期 3．科学态度与责任：深入理解物理学对现代生活、科技和社会发展的促进作用 知识点一　质谱仪 1．一束质量、速度和电荷量不同的正离子(不计重力)垂直地射入匀强磁场和匀强电场正交的区域，结果发现有些离子保持原来的运动方向，未发生任何偏转，这些离子速度有什么特点？ 2．如果让这些不偏转离子进入另一匀强磁场中，发现这些离子又分裂成几束，对这些进入另一磁场的离子，它们的比荷是否相同？ 提示：1.相等　2.不同 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。 【判断正误】 1．质谱仪工作时，在电场和磁场确定的情况下，比荷相同的不同带电粒子在磁场中的半径相同。(√) 2．在同一质谱仪中，同位素在质谱仪中的轨迹半径相同。(×) 质谱仪工作原理中的几个关系 1．结论：r＝ ，粒子比荷＝，质量m＝。 学生用书↓第31页 2.由于同位素电荷量q相同，质量不同，由r＝ 知，在质谱仪照相底片上显示的位置就不同，故能据此区分同位素。 (多选)若速度相同的三个带电粒子(不计重力)由左端射入质谱仪的运动轨迹如图所示，则下列相关说法中正确的是(　　) A．三个带电粒子都带负电 B．速度选择器的P1极板带负电 C．三个粒子通过狭缝S0时速率等于 D．在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小 CD　[带电粒子进入匀强磁场B2时向下偏转，根据左手定则判断得知三个粒子带正电，A错误；粒子在平行金属板中受到电场力和洛伦兹力两个作用力而做匀速直线运动，由左手定则可知，洛伦兹力方向竖直向上，则电场力方向竖直向下，粒子带正电，电场强度方向竖直向下，所以速度选择器的P1极板带正电，B错误；粒子能通过狭缝，电场力与洛伦兹力平衡，则有qvB1＝qE，解得v＝，C正确；粒子进入匀强磁场B2中受到洛伦兹力而做匀速圆周运动，由牛顿第二定律得qvB2＝m，解得r＝，可见，由于v是一定的，B2不变，半径r越大，则越小，D正确。] 针对练1.(2022•湖北黄冈高二期中)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。图中的铅盒A中的放射源放出大量的带正电粒子(可认为初速度为零)，从狭缝S1进入电压为U的加速电场区加速后，再通过狭缝S2从小孔G垂直于MN射入偏转磁场，该偏转磁场是以直线MN为切线、磁感应强度为B、方向垂直于纸面向外、半径为R的圆形匀强磁场，现在MN上的F点(图中未画出)接收到该粒子，且GF＝R，则该粒子的比荷为(粒子的重力忽略不计)(　　 ) A． B． C． D． C　[设粒子被加速后获得的速度为v，由动能定理有qU＝mv2，根据题意，粒子在磁场中运动轨迹如图所示，由几何关系可得，粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径r＝，由牛顿第二定律有qvB＝m，解得＝，故选C。] 针对练2.(2022•河南信阳市高二期中)如图为一种质谱仪的工作原理示意图，此质谱仪由以下几部分构成：离子源、加速电场、静电分析器、磁分析器、收集器。静电分析器通道中心线MN所在圆的半径为R，通道内有均匀辐向的电场，中心线处的电场强度大小为E；磁分析器中分布着方向垂直于纸面、磁感应强度为B的匀强磁场，磁分析器的左边界与静电分析器的右边界平行。由离子源发出一个质量为m、电荷量为＋q的离子(初速度为零，重力不计)，经加速电场加速后进入静电分析器，沿中心线MN做匀速圆周运动，而后由P点进入磁分析器中，最终经过Q点进入收集器(进入收集器时速度方向与O2P平行)。下列说法正确的是(　　 ) A．磁分析器中匀强磁场的方向垂直于纸面向内 B．加速电场中的加速电压U＝ER C．磁分析器中轨迹圆心O2到Q点的距离d＝ D．任何带正电的离子若能到达P点，则一定能进入收集器 B　[该离子在磁分析器中沿顺时针方向转动，所受洛伦兹力指向圆心，根据左手定则可知，磁分析器中匀强磁场的方向垂直于纸面向外，故A错误；该离子在静电分析器中做匀速圆周运动