1.4 质谱仪和回旋加速器-【堂堂清】2023-2024学年高二物理同步易混易错（人教版2019选择性必修第二册）

第一章 安培力与洛伦兹力 第四节 质谱仪与回旋加速器 [核心素养·明目标] 核心素养 学习目标 物理观念 知道质谱仪和回旋加速器的基本构造、原理和基本用途。 科学思维 1.会分析带电粒子在匀强磁场中的圆周运动问题。 2.会利用相关规律解决质谱仪、回旋加速器问题。 科学探究 探究质谱仪和回旋加速器的工作原理。 科学态度与责任 介绍我国北京正负电子对撞机，培养学生民族自豪感。 知识点一　磁偏转的应用及显像管 如上图，一放射源放出质量、电荷量均不相同的三种粒子，假设三种粒子的速度相同，甲图是匀强磁场，乙图是匀强电场，试分析三种粒子的带电性质及①、③两种粒子比荷的大小关系？ 答案提示　甲图中：由左手定则知，①粒子带正电，②粒子不带电，③粒子带负电。 由qvB＝，得＝，知③粒子比荷大。 乙图中：由电场偏转知识知，①粒子带负电，②粒子不带电，③粒子带正电。 粒子在平行于电场方向的侧移量y＝t2，由三种粒子的速度v相同，知相同时间内①粒子偏移量大于③粒子，故①粒子比荷大。 显像管 1.构造：如图所示，由电子枪、偏转线圈和荧光屏组成。 2.工作原理 (1)电子枪发出的电子，经电场加速形成电子束。 (2)电子束在水平偏转线圈和竖直偏转线圈产生的不断变化的磁场作用下，运动方向发生偏转，从而实现扫描。 (3)荧光屏被电子束撞击发光，显示图像。 3.电偏转与磁偏转的对比分析 电偏转 磁偏转 偏转条件 垂直电场方向进入匀强电场(不计重力) 垂直磁场方向进入匀强磁场(不计重力) 受力情况 电场力F电＝qE，大小和方向都不变 洛伦兹力F洛＝qvB，大小不变，方向始终和v垂直 运动类型 类平抛运动 匀速圆周运动 运动轨迹 抛物线 圆或圆弧 运动轨迹 示意图 知识点二　质谱仪 观察下列图片 (1)S1、S2之间的电场起什么作用？ (2)粒子打在底片上的位置到S3的距离有多大？ 答案提示：(1)使粒子加速，获得一定的速度。 (2) 。 1．原理：如图所示，带电粒子经加速电场加速后垂直于磁场方向进入匀强磁场，最后打在照相底片上，不同质量的粒子在照相底片上位置不同。 2.加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场被加速，由动能定理得mv2＝qU，由此可知v＝ 。 3.偏转：带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，有qvB＝。 4.结论：r＝ ，测出粒子做匀速圆周运动的轨道半径r，可算出粒子的质量m或比荷。 5.应用：可以测定带电粒子的质量和分析同位素。 知识点三 回旋加速器 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？ 答案提示：(1)磁场的作用是使带电粒子回旋，电场的作用是使带电粒子加速。交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期。一个周期内加速两次。 (2)当带电粒子速度最大时，其运动半径也最大，即rm＝，可得Ekm＝，所以要提高带电粒子获得的最大动能，则应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径rm。 1.原理示意图 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交变电场，交变电场的周期与粒子在磁场中运动的周期相同。 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，半个周期后再次进入电场。 知识点四 带点粒子在复合场中的应用 1.复合场 一般是指电场、磁场和重力场在同一区域并存，或其中两种场并存。 2.三种场力的特点 (1)重力的方向始终竖直向下，重力做功与路径无关，重力做的功等于重力势能的减少量。 (2)静电力的方向与电场方向相同或相反，静电力做功与路径无关，静电力做的功等于电势能的减少量。 (3)洛伦兹力的大小和速度方向与磁场方向的夹角有关，方向始终垂直于速度v和磁感应强度B共同决定的平面。无论带电粒子做什么运动，洛伦兹力始终不做功。 3.分析思路 (1)受力分析：对带电粒子进行受力分析时必须注意是否考虑重力。 ①对于微观粒子，如电子、质子、离子等，若无特殊说明，一般不考虑重力；对于宏观带电物体，如带电小球、尘埃、油滴、液滴等，若无特殊说明，一般需要考虑重力。 ②对于题目中明确说明需要考虑重力的，这种情况较简单。 ③不能直接判断是否需要考虑重力的，在进行受力分析和运动分析时，由分析结果确定是否考虑重力。 (2)运动分析：带电粒子在复合场中