1.4 质谱仪与回旋加速器 导学案-2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

乳山市银滩高级中学 高 二 年级 学科： 物理 编号： 命制时间： 2023 年 10 月 25 日星期 三 命制人： 于洁 李蒙 14.4质谱仪与回旋加速器 【学习目标】 1.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. 2.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． 3．会利用力和运动的知识分析带电粒子的运动情况。 【学习过程】 【课前诊断】同一种带电粒子以不同的速度垂直磁感线射入匀强磁场中，其运动轨迹如图所示，则可知： （1）带电粒子进入磁场的速度值有几个？ （2）这些速度的大小关系为？ （3）三束粒子从O点出发分别到达1、2、3点所用时间的大小关系是？ 任务一：分析质谱仪的工作原理和用途（阅读教材P17页“质谱仪”标题下的内容，认真思考并回答以下问题） 问题1.（独立思考）质谱仪构造：主要构件有加速 、偏转 和照相底片． (1)加速： 带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得： (2)偏转： 带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力得： 求解粒子运动的的半径r=____________. 问题2.（独立思考） 质谱仪有什么用途？它可以把哪些不同的带电粒子分开？ 小结（总结积累）： 【典例1】质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的一种仪器，它的工作原理如图所示，带电粒子(不计重力，初速度为0)经同一电场加速后，垂直进入同一匀强磁场做匀速圆周运动，然后利用相关规律计算出带电粒子质量。虚线为某粒子运动轨迹，由图可知( 　　) A．此粒子带负电 B．下极板S2比上极板S1电势高 C．若只减小加速电压U，则半径r变大 D．若只减小入射粒子的质量，则半径r变小 变式1　速度相同的一束粒子由左端射入质谱仪后分成甲、乙两束，其运动轨迹如图所示，其中S0A＝S0C，则下列说法正确的是(　　) A．甲束粒子带正电，乙束粒子带负电 B．甲束粒子的比荷大于乙束粒子的比荷 C．能通过狭缝S0的带电粒子的速率等于 D．若甲、乙两束粒子的电荷量相等，则甲、乙两束粒子的质量之比为3∶2 任务二：分析回旋加速器的工作原理和用途（阅读教材P18页“质谱仪”标题下的内容，认真思考并回答以下问题） 问题1：回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？ 问题2：对交流电源的周期有什么要求？ 问题3：加速器的速度能无限制加下去吗？带电粒子获得的最大速度为多少？带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？ 问题4：加速n次后，粒子的速度为多少？粒子的轨道半径为多少？ 问题5：求粒子在磁场中运动的时间？求粒子在磁场中加速的次数？ 小结（总结积累）： 【典例2】(2018·全国卷Ⅲ)如图2，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U加速后在纸面内水平向右运动，自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直．已知甲种离子射入磁场的速度大小为v1，并在磁场边界的N点射出；乙种离子在MN的中点射出；MN长为l.不计重力影响和离子间的相互作用．求： (1)磁场的磁感应强度大小； (2)甲、乙两种离子的比荷之比． 【同步练习】 1.质谱仪可以用来分析同位素。如图所示，带电粒子先经过加速电场，然后进入速度选择器，速度选择器内存在相互垂直磁感应强度为B的匀强磁场和电场强度为E匀强电场。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，平板S下方有磁感应强度为的匀强磁场。下列表说法确的是( ) A.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里 B.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于 C.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小 D.同一带电粒子，磁感应强度越大，粒子打到胶片的位置越靠近狭缝P 2.质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。如图所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量。让氢元素三种同位素的离子流从容器A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场。加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中。氢的三种同位素最后打在照相底片D上，形成三条“质谱线”。则下列判断正确的是( ) A.进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氚、氘、氕 B.进入磁场时动能从大到小排列的顺序是氕、氘、氚 C.在磁场中运动时间由大到小排列的顺序是氕、氘、氚 D.三条“质谱线”依次排列的顺序是