1.4质谱仪与回旋加速器-2023-2024学年高二物理备课必备讲义（人教版2019选择性必修第二册）

第一章 安培力与洛伦兹力 第4节 质谱仪与回旋加速器 【科技前沿】 阿尔法磁谱仪-简介 阿尔法(α)磁谱仪是1998年人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪。它利用强磁场和精密探测器来探测宇宙空间的反物质和暗物质，探索和研究宇宙物理学、基本粒子物理学和宇宙演化学的一些重大和疑难问题。 【核心素养目标】 物理观念 认识质谱仪和回旋加速器等仪器 科学思维 知道质谱仪的构造及工作原理，会确定粒子在磁场中运动的半径，会求粒子的比荷. 科学探究 知道回旋加速器的构造及工作原理，知道交流电的周期与粒子在磁场中运动的周期之间的关系，知道决定粒子最大动能的因素． 科学态度与责任 能用带电粒子在电场和磁场中运动规律解决遇到的问题 【情境导入】 如图所示为质谱仪原理示意图．设粒子质量为m、电荷量为q，加速电场电压为U，偏转磁场的磁感应强度为B，粒子从容器A下方的小孔S1飘入加速电场，其初速度几乎为0.则粒子进入磁场时的速度是多大？打在底片上的位置到S3的距离多大？ 【知识梳理】 1．构造：主要构件有加速 、偏转 和照相底片． 2．运动过程(如图) (1)加速：带电粒子经过电压为U的加速电场加速， ＝mv2.由此可得v＝. (2)偏转：垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，做匀速圆周运动，r＝，可得r＝. 3．分析：从粒子打在底片D上的位置可以测出圆周的半径r，进而可以算出粒子的 ． 4．应用：可以测定带电粒子的质量和分析 ． 【重难诠释】 1．带电粒子运动分析 (1)加速电场加速：根据动能定理，qU＝mv2. (2)匀强磁场偏转：洛伦兹力提供向心力，qvB＝. (3)结论：r＝，测出半径r，可以算出粒子的比荷. 2．质谱仪区分同位素：由qU＝mv2和qvB＝m可求得r＝.同位素的电荷量q相同，质量m不同，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． 【典例精析】 例1．如图所示为质谱仪的原理图，一束粒子以速度v沿直线穿过相互垂直的匀强电场（电场强度为E）和匀强磁场（磁感应强度为）的重叠区域，然后通过狭缝垂直进入另一匀强磁场（磁感应强度为），最后打在照相底片上的三个不同位置，粒子的重力可忽略不计，则下列说法正确的是（　　）    A．该束粒子带负电 B．板带负电 C．粒子的速度v满足关系式 D．在的匀强磁场中，运动半径越大的粒子，荷质比越小 【规律方法】 (1)粒子在电场中运动只有电场力做功，根据动能定理可以求得粒子从加速电场射出时速度v的大小。 (2)带电的粒子在速度选择器中做匀速直线运动，说明粒子受力平衡，根据粒子的受力状态可以求得速度选择器中匀强磁场的磁感应强度B1的大小和方向。 (3)粒子在磁场中做匀速圆周运动，根据粒子在磁场中运动的半径公式可以求得偏转磁场的磁感应强度B2的大小。 知识点二　回旋加速器 【情境导入】 回旋加速器两D形盒之间有窄缝，中心附近放置粒子源(如质子、氘核或α粒子源)，D形盒间接上交流电源，在狭缝中形成一个交变电场．D形盒上有垂直盒面的匀强磁场(如图所示)． 　 (1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？对交流电源的周期有什么要求？在一个周期内加速几次？ (2)带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？如何提高粒子的最大动能？ 【知识梳理】 1.回旋加速器的构造：两个D形盒．两D形盒接交流电源，D形盒处于垂直于D形盒的匀强磁场中，如图． 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 的电场． 作用：带电粒子经过该区域时被 ． (2)磁场的特点及作用 特点：D形盒处于与盒面垂直的 磁场中． 作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做 运动，从而改变运动 ， 圆周后再次进入电场． 【重难诠释】 1．粒子被加速的条件 交变电场的周期等于粒子在磁场中运动的周期． 2．粒子最终的能量 粒子速度最大时的半径等于D形盒的半径，即rm＝R，rm＝，则粒子的最大动能Ekm＝. 3．提高粒子最终能量的措施：由Ekm＝可知，应增大磁感应强度B和D形盒的半径R. 4．粒子被加速次数的计算：粒子在回旋加速器中被加速的次数n＝(U是加速电压的大小)． 5．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≪t2，一般认为在回旋加速器中运动的时间近似等于t2. 【典例精析】 例2．一回旋加速器中匀强磁场的磁感应强度为B，两D形盒狭缝间加的交变电场电势差为 U。质量为m、电荷量为q的离子在回旋加速器中，由静止开始经交变电场多次加速后，旋转轨道是半径为r的圆，圆心在O点。为引出离子，使用磁屏蔽通道法设计引出器，引出器原