第1章 第4节 质谱仪与回旋加速器（教师用书Word）-【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4节　质谱仪与回旋加速器 [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)． 知识点一　质谱仪 1．构造：主要构件有加速电场、偏转磁场和照相底片． 2．运动过程(如图所示) (1)加速：带电粒子经过电压为U的加速电场加速，qU＝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比荷. 4．应用：可以测定带电粒子的质量和分析同位素. 知识点二　回旋加速器 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，如图所示． 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周期性变化的电场． 作用：带电粒子经过该区域时被加速. (2)磁场的特点及作用 特点：D形盒处于与盒面垂直的匀强磁场中． 作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，从而改变运动方向，半个圆周后再次进入电场． 1．判断下列说法的正误． (1)回旋加速器工作时，电场必须是周期性变化的．(√) (2)回旋加速器中，磁场的作用是改变粒子速度的方向，便于多次加速．(√) (3)粒子在回旋加速器中加速次数的多少是由磁场决定的．(×) 2. (多选)如图所示是质谱仪的工作原理示意图．带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器．速度选择器内存在相互正交的匀强磁场和匀强电场．匀强磁场的磁感应强度为B，匀强电场的电场强度为E.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A1A2.平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场．下列表述正确的是(ABC) A．质谱仪是分析同位素的重要工具 B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于 D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小 解析　因同位素原子的化学性质完全相同，无法用化学方法进行分析，故质谱仪就成了同位素分析的重要工具，选项A正确；在速度选择器中，带电粒子所受电场力和洛伦兹力在粒子沿直线运动时应等大反向，结合左手定则可知，选项B正确；再由qE＝qvB有v＝，选项C正确；在磁感应强度为B0的匀强磁场中R＝，所以＝，则越靠近狭缝P，半径R越小，比荷越大，选项D错误． 考点一　质谱仪 【情境导学】 当带电粒子垂直射入匀强电场和匀强磁场时，分析带电粒子在电场和磁场中的运动有何不同？ 答案　带电粒子垂直射入电场时，带电粒子在电场中做匀变速曲线运动，用运动的合成和分解处理；当带电粒子垂直射入磁场时，带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，利用洛伦兹力提供向心力和圆周运动处理． 【知识拓展】 1．带电粒子的运动分析 (1)加速电场加速：qU＝mv2. (2)匀强磁场偏转：qvB＝. (3)结论：r＝，粒子比荷＝，质量m＝. 2．质谱仪区分同位素：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． 【例题1】 (多选)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，它的构造原理如图所示．离子源S可以发出各种不同的正离子束，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S1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，离子的质量越大 B．若离子束是同位素，则x越大，离子的质量越小 C．只要x相同，则离子的质量一定相同 D．只要x相同，则离子的比荷一定相同 思维导引：(1)同位素具有相同质子数和不同的中子数，即不同；(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． 答案　AD 解析　加速电场中，由qU＝mv2得，离子出电场时速度v＝，在偏转磁场中，离子做圆周运动的半径r＝，又由qvB＝，得m＝＝，若离子束是同位素，即q相等，则x越大，离子的质量m越大，选项A正确，B错误；由上式可得＝，所以只要x相同，离子的比荷就一定相同，选项D正确，C错误． 【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ma＝mb<mc＝md以不等的速率va<vb＝vc<vd进入速度选择器后，有两种离子从速度选择器中射出进入B2磁场，由此可以判定(　　) A．射向P1的是a离子 B．射向P2的是b离子 C．射向A1的是d离子 D．射向A2的是c离子 答案　AD 解析　通过在磁场中偏转可知，离子带正电，在速度选择器中，有qE＝qvB，得v＝，只有速度满足一定