第1章 4.质谱仪与回旋加速器-【赢在微点】轻松课堂2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第二册（人教版）

4.质谱仪与回旋加速器 1.了解质谱仪的结构及其工作原理。 2.了解回旋加速器的结构及其工作原理。 　　 带电粒子的比荷是一个重要的物理量，其测定在物理学发展史上有着重要的地位。带电粒子的比荷测量方法有电场中的平衡法、偏转法等。磁场对带电粒子有洛伦兹力作用，在洛伦兹力作用下粒子也会发生偏转。 借用前面的思路，能否利用带电粒子在磁场中的偏转测量带电粒子的比荷呢?如何测量呢? 知|识|梳|理 一、质谱仪 1.原理:如图所示。 2.加速:带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得:qU=mv2。 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:qvB=。 4.结论:由以上两式可以求出粒子的半径r、质量m、比荷等。其中由r=可知电荷量相同时，半径将随质量变化。 5.质谱仪的应用:可以测定带电粒子的质量和分析同位素。 二、回旋加速器 1.构造图(如图所示)。 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周期性变化的电场。 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。 预|习|自|检 1.判断正误(正确的画“√”，错误的画“×”)。 (1)因不同原子核的质量不同，所以同位素在质谱仪中的轨迹半径不同。 (√) (2)回旋加速器用磁场控制轨道，用电场进行多次加速，交流电源的周期等于带电粒子在磁场中运动的周期。 (√) 2.如图所示为现代科技在电磁场中的两种物理模型示意图，关于这两种模型及其应用的描述，下列说法正确的是 (　　) A.图甲是质谱仪结构模型，若仅增大粒子的比荷，则粒子打在照相底片上的位置与狭缝S3的距离变大 B.图甲是质谱仪结构模型，若仅增大磁感应强度B2，则粒子打在照相底片上的位置与狭缝S3距离变大 C.图乙是回旋加速器模型，要增大粒子的最大动能，必同时增大电压U和磁感应强度B D.图乙是回旋加速器模型，要增大粒子的最大动能，可同时增大D形盒的半径R和磁感应强度B 解析　题图甲中，设粒子打在照相底片上的位置与狭缝S3的距离为x，根据示意图有qvB1=qE，qvB2=m，x=2r，解得x=，仅增大粒子的比荷，则粒子打在照相底片上的位置与狭缝S3的距离x变小，仅增大磁感应强度B2，粒子打在照相底片上的位置与狭缝S3的距离x变小，A、B两项错误;题图乙中当粒子的动能达到最大时，其在D形盒中做圆周运动的半径为D形盒的半径，故有qvB=m，Ek=mv2，解得Ek=，可知粒子的最大动能与电压U无关，同时增大D形盒半径R和磁感应强度B可以增大粒子的动能，C项错误，D项正确。 答案　D 探究一 质谱仪 1.质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。 2.质谱仪的工作原理是将质量数不等、电荷数相等的不同带电粒子，经同一电场加速后再经速度选择器进入同一磁场偏转，由于粒子质量不同导致轨道半径不同而达到分离不等质量粒子的目的。 【例1】　(多选)质谱仪又称质谱计，是分离和检测不同同位素的仪器。如图所示为质谱仪的工作原理简化示意图，从粒子源出来时的粒子速度很小，可以看作初速度为零，粒子经过电场加速后由M点垂直进入有界的垂直纸面向里的匀强磁场中，最后达到N点出口，测得M点到N点的距离为L，带电粒子的电荷量和质量的比值为k。不计粒子重力，则 (　　) A.粒子一定带正电 B.粒子一定带负电 C.L越大，k一定越小 D.L越大，k一定越大 解析　根据左手定则，知粒子带正电，故A项正确，B项错误;根据半径公式r=知L=2r=，又qU=mv2，联立解得L==，则L越大，电荷量和质量的比值k越小，故C项正确，D项错误。 答案　AC 【针对训练1】　速度相同的一束粒子由左端射入速度选择器和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极板带负电 C.能通过狭缝S0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S0，则粒子的比荷越小 解析　根据带电粒子进入匀强磁场B2时向下偏转，由左手定则判断出该束粒子带正电，A项错误;粒子在速度选择器中做匀速直线运动，受到电场力和洛伦兹力作用，由左手定则知洛伦兹力方向竖直向上，则电场力方向竖直向下，因粒子带正电，故电场强度方向向下，速度选择器的P1极板带正电，B项错误;粒子能通过狭缝，则电场力与洛伦兹力平衡，有qvB1=qE，得v=，C项正确;粒子进入匀强磁场B2中受到洛伦兹力做匀速圆周运动，根据洛伦兹力提供向心力，由牛顿第二定律有qvB2=m，得r=，B2不变，v一定时，半径r越小，则越大，D项错误。 答案　C 探究二 回旋加速器 1