1.4质谱仪和回旋加速器 课件+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

1.4质谱仪与回旋加速器 【学习目标】 1.通过合作探究知道质谱仪和回旋加速器的构造及工作原理，会利用力和运动的知识分析带电粒子的运动情况。培养分析、解决实际问题的能力。 2..通过思维碰撞，开阔思维培养学生的创新意识。培养学生的民族自豪感 激发学生的学习兴趣。 【学习重点】 1.质谱仪的构造和工作原理。 2.回旋加速器的构造和工作原理。 【学习难点】 1.回旋加速器的构造和加速原理。 2.粒子的回旋周期与加速 电场的变化周期之间的关系。 3.影响被加速粒子最大动能的因素。 【教学过程】 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） 质谱仪又称质谱计，是分离和检测不同同位素的仪器。经过多次改进,质谱仪已经成为一种面十分精密的仪器,是科学研究和工业生产的重要工具。原理如图所示： 问题1.质量为m,电荷量为q的带电粒子在粒子源处的初速度为零,是如何获得一定的速度的?速度是多少？ 问题2.带电粒子加速后,进人磁场,圆周运动的半 径跟哪些因素有关? 问题3.质谱仪是如何区分同位素的? 【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 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？ 【典例2】回旋加速器是用来加速一群带电粒子使它们获得很大动能的仪器，如图图所示,其核心部分是两个D形金属盒,两盒分别和一电压为U的高频交流电源两极相接，以便在盒内的窄缝中形成匀强电场,使粒子每次穿过狭缝时都得到加速,两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面,粒子源置于盒的圆心附近,若粒子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为。求: (1)粒子在盒内做何种运动; (2)所加交变电流频率及粒子角速度; (3)粒子离开加速器时的最大速度及最大动能。 【变式训练】[多选]回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，下列说法正确的是(　　) A．增大匀强电场间的加速电压 B．增大磁场的磁感应强度 C．减小狭缝间的距离 D．增大D形金属盒的半径 带电粒子在叠加场中的应用模型---电磁平衡科技应用 共同点：当带电粒子（不计重力）在叠加场中做匀速直线运动时洛伦兹力与电场力大小相等， 1．速度选择器 (1)平行板中电场强度E和磁感应强度B互相垂直．(如图) (2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是qvB＝qE，即v＝. (3)速度选择器只能选择粒子的速度，不能选择粒子的电性、电荷量、质量． (4)速度选择器具有单向性． 【典例3】对平行金属板中存在匀强电场和匀强磁场，其中电场的方向与金属板垂直，磁场的方向与金属板平行且垂直纸面向里，如图所示。一质子（H）以速度v0自O点沿中轴线射入，恰沿中轴线做匀速直线运动。下列粒子分别自O点沿中轴线射入，能够做匀速直线运动的是（所有粒子均不考虑重力的影响）（　　） A．以速度4v0射入的a粒子（He） B．以速度2v0射入的核（H） C．以速度v0射入的电子（e） D．以速度的射入的正电子（e） 2．磁流体发电机 (1)原理：如图所示，等离子体喷入磁场，正、负离子在洛伦兹力的作用下发生偏转而聚集在B、A板上，产生电势差，它可以把离子的动能通过磁场转化为电能． (2)电源正、负极判断：根据左手定则可判断出图中的B是发电机的正极． (3)电源电动势U：设A、B平行金属板的面积为S，两极板间的距离为l，磁场磁感应强度为B，等离子体的电阻率为ρ，喷入气体的速度为v，板外电阻为R.当正、负离子所受电场力和洛伦兹力平衡时，两极板间达到的最大电势差为U(即电源电动势)，则q＝