(教参)第一章 4 质谱仪与回旋加速器-【精彩三年】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第二册课程探究与巩固教师用书word+课件PPT（人教版，浙江专用）

4　质谱仪与回旋加速器 课程解读 课标要点 学科素养 链接浙江选考 了解质谱仪和回旋加速器的工作原理 科学探究：能认识到质谱仪和回旋加速器对人类探索未知领域的重要性，知道科学发展对实验器材的依赖性 了解洛伦兹力在现代科技中的应用 (见学生用书P17) 知识点一　质谱仪 1．定义：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量及轨道半径确定其质量的仪器，叫作质谱仪。 2．原理：如图所示。 3．加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得__qU＝mv2__。① 4．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，由牛顿第二定律得__qvB＝__。② 由①②两式可以求出粒子的运动半径r、质量m、比荷等。其中，由r＝可知，电荷量相同时，运动半径将随质量的变化而变化。 [思辨] 1．判断题(正确的打“√”，错误的打“”) (1)利用质谱仪可以测定带电粒子的质量。(　√　) (2)利用质谱仪可以测定带电粒子的比荷。(　√　) (3)利用质谱仪可以分析同位素。(　√　) 2．思考题：若初速度为0的不同粒子进入质谱仪，经同一电场加速、同一磁场偏转后，打到照相底片的同一位置，则这些粒子的相同点是什么？ 答案：比荷相同。 知识点二　回旋加速器的结构和原理 两个中空的半圆金属盒D1和D2，处于与盒面垂直的匀强磁场中，D1和D2间有一定的电势差，如图所示。 1．磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动。在q、m、B不变的情况下，其周期与速度和轨道半径无关，带电粒子每次进入D形盒都运动半个周期后平行电场方向进入电场加速，如图所示。 2．交变电压的周期：带电粒子做匀速圆周运动的周期T＝，与粒子运动速率、轨道半径均无关，粒子运动相等的时间(半个周期)后进入电场，为了保证带电粒子每次经过狭缝时都被加速，须在狭缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压，所以交变电压的周期也与粒子的运动速率、轨道半径无关，由带电粒子的比荷和磁场的磁感应强度决定。 3．电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的狭缝区域存在周期性变化且垂直于两个D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速。根据动能定理有qU＝ΔEk。 4．带电粒子的最终能量：由r＝知，当带电粒子的运动半径最大时，其速度也最大，若D形盒半径为R，则带电粒子的最终动能Ekm＝。 可见，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能地增大磁感应强度B和D形盒的半径R。 5．交流电源的作用：为保证粒子每次经过狭缝时都被加速，使其能量不断提高，需在狭缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压。 6．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)。一个周期粒子被加速两次。 7．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是粒子被加速的次数)，总时间为t＝t1＋t2，因为t1≪t2，一般认为粒子在回旋加速器内运动的时间近似等于t2。 [思辨] 1．判断题(正确的打“√”，错误的打“”) (1)带电粒子通过回旋加速器最终获得的动能Ekm＝。(　　) (2)带电粒子通过回旋加速器最终获得的动能，与加速的次数以及加速电压U的大小无关。(　√　) (3)在回旋加速器中，交流电源的周期与粒子做圆周运动的周期相等。(　√　) 2．思考题：回旋加速器的D形盒内有无电场？ 答案：无电场。D形盒由金属导体制成，具有屏蔽外电场的作用，故盒内无电场。 (见学生用书P19) 　　类型一　质谱仪 角度1：基于加速电场的质谱仪 质谱仪的结构原理图如图所示，若从金属筒内同一位置由静止释放氢的三种同位素氕、氘、氚的原子核(不计重力)，经相同的电场加速和磁场偏转后分别打在照相底片上的A、B、C三个点，下列说法正确的是(　D　) A．氕、氘、氚原子核进入磁场时的速度相同 B．氚在磁场中运动的时间最短 C．氕在电场中加速的时间最长 D．打在照相底片上相邻两点间距离AB、BC之比为(－1)∶(－) 解析：设加速电压为U，粒子进入磁场时的速度大小为v，根据动能定理有qU＝mv2，解得v＝，由于氕、氘、氚原子核的比荷不同，所以进入磁场时的速度不同，故A错误。设粒子加速距离为d，加速时间为t1，则d＝t1，解得t1＝＝2d，氕的比荷倒数最小，在电场中加速的时间最短，故C错误。设粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为r，根据牛顿第二定律有qvB＝m，解得r＝，粒子在磁场中运动的时间为半个周期，即t2＝＝·＝，氚的比荷倒数最大，在磁场中运动的时间最长，故B错误。粒子打在照相底片上的位置到入射点之间的距离为d＝2r＝，所以A、B、C三点到入射点的距离之比为dA∶dB∶dC＝1∶∶，则打在