选必2.1.4——质谱仪与回旋加速器学历案

选必2.1.4 质谱仪与回旋加速器 【内容出处】 人教版选择性必修二第一章第4节 【内容要求】 2.1.3 例4了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。 【学习目标】 1.通过自主推理，了解质谱仪的工作原理，体会逻辑推理的思维方法。 2.通过自主推理，了解回旋加速器的工作原理和面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。 【学习过程】 1、 课前准备 1.通读课本，做好笔记。 2、 课中学习 任务一：质谱仪 活动1：方案设计 在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。利用所学的知识，你能设计一个方案，控制带电粒子的运动，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？ 提示： ①如何使粒子加速获得速度？大小和方向怎么控制？ 答案：电场可以对带电粒子施加作用力，磁场也可以对运动的带电粒子施加作用力。可以利用电场和磁场来控制带电粒子的运动。利用电场让带电粒子获得一定的速度。 ②如何使粒子束分离？ 答案：磁场也可以对运动的带电粒子施加作用力，利用磁场让粒子做圆周运动。带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与质量有关，如果B 、v相同，m不同，则不同，这样就可以把不同的粒子分开。 活动2：质谱仪工作原理 19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿就按照这样的想法设计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20 和氖-22，证实了同位素的存在。后来经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是科学研究和工业生产中的重要工具。 如图所示，质量为m、电荷量为q的粒子，从容器A下方的小孔S1飘入（实际工作中，往往让中性的气体分子进入电离室 A， 在那里被电离成离子）电势差为U的加速电场，其初速度几乎为0，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上。 请说明质谱仪工作原理和用途。 答案：粒子进入磁场时的速度v等于它在电场中被加速而得到的速度。由动能定理求得。粒子在磁场中只受洛伦兹力的作用，做匀速圆周运动求出圆周的半径。如果容器A中粒子的电荷量相同而质量不同， 它们进入匀强磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，因而被分开， 并打到照相底片的不同地方。 【练习】 1.(多选)若速度相同的三个带电粒子(不计重力)由左端射入质谱仪的运动轨迹如图所示，则下列相关说法中正确的是(　　) A．三个带电粒子都带负电 B．速度选择器的P1极板带负电 C．三个粒子通过狭缝S0时速率等于 D．在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小 答案 CD　[带电粒子进入匀强磁场B2时向下偏转，根据左手定则判断得知三个粒子带正电，A错误；粒子在平行金属板中受到电场力和洛伦兹力两个作用力而做匀速直线运动，由左手定则可知，洛伦兹力方向竖直向上，则电场力方向竖直向下，粒子带正电，电场强度方向竖直向下，所以速度选择器的P1极板带正电，B错误；粒子能通过狭缝，电场力与洛伦兹力平衡，则有qvB1＝qE，解得v＝，C正确；粒子进入匀强磁场B2中受到洛伦兹力而做匀速圆周运动，由牛顿第二定律得qvB2＝m，解得r＝，可见，由于v是一定的，B2不变，半径r越大，则越小，D正确。] 2.如图为一种质谱仪的工作原理示意图，此质谱仪由以下几部分构成：离子源、加速电场、静电分析器、磁分析器、收集器。静电分析器通道中心线MN所在圆的半径为R，通道内有均匀辐向的电场，中心线处的电场强度大小为E；磁分析器中分布着方向垂直于纸面、磁感应强度为B的匀强磁场，磁分析器的左边界与静电分