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

1.4质谱仪与回旋加速器 【学习目标】 1.掌握质谱仪的结构及工作原理，掌握粒子在磁场中运动的半径和粒子的比荷. 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. 【复习回顾】 微观带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的圆半径和周期，与粒子运动的速度、磁场的磁感应强度有什么关系呢？ 【问题引入】 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。利用前面所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？试着小组讨论一下。 【新知探究】 知识点一 质谱仪 1. 概念：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。 2．质谱仪的结构 问题一：质谱仪的结构由哪几个部分构成？ 3.质谱仪的工作原理 问题二：每个部分是怎么工作的？满足什么关系式？ 4. 质谱仪的应用 ① 可测粒子的质量及比荷 ② 与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素 知识点二 回旋加速器 1.多级直线加速器 可以利用静电力对带电粒子做功，从而增加粒子的动能，qU = ΔEk，加速电压越高，粒子获得的动能就越高。 问题一：该装置有什么缺点？如何改进？ 2.回旋加速器 问题二：回旋加速器基本构造由哪些部分组成？各自有什么作用？ 问题三：如图，带电粒子在加速中，历经了哪些过程？ 问题四：电场的变化必须满足什么条件？ 问题五：粒子加速最终动能为多少？ 例1：1922年英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究荣获了诺贝尔化学奖．若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列相关说法中正确的是(　　) A．该束粒子带负电 B．速度选择器的P1极板带正电 C．在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大 D．在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小 要认识原子核内部的情况，必须把原子核打开进行观察。然而，原子核被强大的核力约束，怎么样做才能把原子核打开？ 例2 (多选)：一个用于加速质子的回旋加速器,其核心部分如图所示,D形盒半径为R,垂直D形盒面的匀强磁场的磁感应强度为B,两盒分别与交流电源相连。设质子的质量为m、电荷量为q,则下列说法正确的是( ) A.D形盒之间交变电场的周期为 B.质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大 C.质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大 D.只要R足够大,质子的速度可以被加速到任意值 【当堂训练】 1. 现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为(　 ) A．11　　　 B．12　　　 C．121　　　 D．144 2 . (多选)如图是质谱仪的工作原理示意图，带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场的磁感应强度和匀强电场的电场强度分别为B和E。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A1A2。平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是(　 　) A ．质谱仪是分析同位素的重要工具 B ．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 C ．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于 D ．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小 3. 如图所示，回旋加速器D形盒的半径为R，用来加速质量为m，电量为q的质子，质子每次经过电场区时，都恰好在电压为U时被加速，且电场可视为匀强电场，使质子由静止加速到能量为E后，由A孔射出。下列说法正确的是( 　) A．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高， 质子的能量E将越大 B．磁感应强度B不变，若加速电压U不变，D形盒半径R越大， 质子的能量E将越大 C．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，质子在加速器中的运动时间将越长 D．D形盒半径R、磁感应强度B不变，若加速电压U越高，质子在加速器中的运动时间将越短 4. (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两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，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的匀强磁场中，如图所示。设D形盒半径为R，若用回旋加速器加速质子时，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交流电频率为f，则下列说法正确的是(　　) A．质子被加速后的最大速度不可能超过2πfR B．质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关 C．只要R