第1章 第4节 第2课时 回旋加速器 质谱仪-【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（粤教版）

第2课时　回旋加速器　质谱仪 【核心素养目标】 物理观念 了解质谱仪与回旋加速器的工作原理。 科学思维 会用带电粒子在电场中的加速和在匀强磁场中的匀速圆周运动分析质谱仪与回旋加速器的工作原理。 科学探究 探究回旋加速器交流电周期和带电粒子在磁场中做圆周运动周期的关系。 科学态度与责任 通过了解质谱仪与回旋加速器的工作原理，知道带电粒子在匀强磁场中的知识在现代科学技术中是有广泛应用的，激发学生学习和研究物理的好奇心与求知欲，在紧密联系实际中培养学生的创新能力。 知识点一　回旋加速器 劳伦斯设计并研制出了世界上第一台回旋加速器，为进行人工可控核反应提供了强有力的工具，大大促进了原子核、基本粒子的实验研究。 (1)在回旋加速器中运动的带电粒子的动能来自电场，还是磁场？ (2)带电粒子从回旋加速器中出来时的最大动能与哪些因素有关？ 提示：(1)带电粒子的动能来自电场。 (2)由动能Ek＝可知带电粒子的最大动能与带电粒子的质量、带电粒子的电荷量、回旋加速器的半径和磁场磁感应强度有关。 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。 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，当粒子再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒间的电势差，使其恰好改变正负，于是粒子又被加速。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。 【判断正误】 1．回旋加速器所加交变电压的频率与带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的频率相同。(√) 2．利用回旋加速器加速带电粒子，要提高加速粒子的最终速度，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R。(√) 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。(×) 4．回旋加速器中带电粒子的动能来自磁场。(×) 1．粒子加速到的最大动能 (1)粒子做匀速圆周运动的最大半径等于D形盒的半径。 (2)已知D形盒半径R，根据R＝可推出带电粒子离开加速器时的最大速度vm＝。 学生用书↓第27页 (3)据Ekm＝mv可得出带电粒子获得的最大动能Ekm＝。 2．提高粒子的最大动能的措施 由Ekm＝可知，应增大磁感应强度B和D形盒的半径R。 3．粒子被加速的次数 粒子每加速一次动能增加qU，故需要加速的次数n＝，回旋的次数为。 4．粒子在回旋加速器中运动的时间 在电场中运动的时间为t1，在磁场中运动的时间为t2＝·T＝(n为加速次数)，总时间为t＝t1＋t2，因为t1≪t2，一般认为在盒内的时间近似等于t2。 (多选)(2022·安徽亳州高二期末)利用回旋加速器可以获得高能粒子，如图为回旋加速器的原理图。其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒，D形盒的半径为R，两盒间的狭缝间施加周期性变化的电场，交变电场的周期为T，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中。匀强磁场的磁感应强度为B。关于回旋加速器加速粒子，下列说法正确的是(　　) A．粒子在电场和磁场中都可以获得能量 B．粒子被加速的最大速度为 C．被加速粒子的比荷为 D．要使比荷为的粒子也能被加速，需将磁场的磁感应强度减小为 BC　[粒子在电场可以获得能量，在磁场中不能获得能量，A错误；粒子被加速的最大速度为vm＝，B正确；粒子在磁场中的运动周期与变化电场的周期相同，根据粒子在磁场的周期公式T＝，整理可得＝，C正确；比荷为的粒子不能被加速，需将变化电场的周期增大为2T或磁感应强度增大为2B时才能被加速，D错误。] 针对练1．图甲是用来加速带电粒子的回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中，两盒分别与高频交流电源相连。带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t的变化规律如图乙所示。忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断正确的是(　　 ) A．在Ek-t图像中应有t4－t3<t3－t2<t2－t1 B．加速电压越大，粒子最后获得的动能就越大 C．粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大 D．要想粒子获得的最大动能增大，可增加D形盒的面积 D　[带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期与速度大小无关，因此，在Ek-t图像中应有t4－t3＝t3－t2＝t2－t1，A错误；粒子获得的最大动能与加速电压无关，加速电压越小，粒子加速次数就越多，由粒子做圆周运动的半径r＝＝可知Ek＝，即当磁感应强度B一定时，粒子获得的最大动能取决于D形盒的半径，当轨道半