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

高二物理导学案 选择性必修第二册 第一章 安培力与洛伦兹力 1.4　质谱仪与回旋加速器 班级： 姓名： 学号： [学习目标]　1.知道质谱仪的构造及工作原理，会确定粒子在磁场中运动的半径，会求粒子的比荷.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． 【基础知识梳理】 一、质谱仪 1．质谱仪构造：主要构件有加速__________、偏转________和照相底片． 2．运动过程(如图) (1)带电粒子经过电压为U的加速电场加速，________＝mv2. (2)垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，做匀速圆周运动，r＝____________________，可得r＝________________________. 3．分析：从粒子打在底片D上的位置可以测出圆周的半径r，进而可以算出粒子的________． 二、回旋加速器 1．回旋加速器的构造：两个D形盒，两D形盒接________流电源，D形盒处于垂直于D形盒的匀强________中，如图． 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________________的电场． 作用：带电粒子经过该区域时被________． (2)磁场的特点及作用 特点：D形盒处于与盒面垂直的________磁场中． 作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做___________ 运动，从而改变运动________，________圆周后再次进入电场． 【典型例题】 例1　(2022·南京市第十二中学高二阶段练习)如图所示为质谱仪测定带电粒子质量的装置的示意图．速度选择器(也称滤速器)中电场强度E的方向竖直向下，磁感应强度B1的方向垂直纸面向里，分离器中磁感应强度B2的方向垂直纸面向外．在S处有甲、乙、丙、丁四个一价正离子垂直于E和B1入射到速度选择器中，若m甲＝m乙<m丙＝m丁，v甲<v乙＝v丙<v丁，在不计重力的情况下，则打在P1、P2、P3、P4四点的离子分别是(　　) A．甲乙丙丁 B．甲丁乙丙 C．丙丁乙甲 D．甲乙丁丙 针对训练　(2021·盐城市大丰区新丰中学高二期末)如图所示为质谱仪的示意图，在容器A中存在若干种电荷量相同而质量不同的带电粒子，它们可从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，它们的初速度几乎为0，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上．若这些粒子中有两种电荷量均为q、质量分别为m1和m2的粒子(m1＜m2)． (1)分别求出两种粒子进入磁场时的速度v1、v2的大小； (2)求这两种粒子在磁场中运动的轨道半径之比； (3)求两种粒子打到照相底片上的位置间的距离． 二、回旋加速器 例2　(2022·江苏江阴高级中学高二阶段练习)回旋加速器利用磁场和电场使带电粒子做回旋运动，经过多次加速，粒子最终从D形盒边缘引出，成为高能粒子．若D形盒中磁场的磁感应强度大小为B，D形盒缝隙间电场变化周期为T，加速电压为U.D形盒的半径为R，则下列判断正确的是(　　) ①被加速粒子的比荷为 ②被加速粒子获得的最大速度为 ③粒子被加速的次数为 ④粒子获得的最大动能会随着加速电压的变化而变化 A．①② B．②③ C．③④ D．①④ 例3　回旋加速器工作原理示意图如图所示，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，两盒间的狭缝很小，粒子穿过的时间可忽略，它们接在电压为U、频率为f的交流电源上，若A处粒子源产生的质子在加速器中被加速，下列说法正确的是(　　) A．若只增大交流电压U，则质子获得的最大动能增大 B．若只增大交流电压U，则质子在回旋加速器中运行时间会变短 C．用同一回旋加速器可以同时加速质子(H)和氚核(H) D．若磁感应强度B增大，交流电频率f必须适当减小才能正常工作 1.4　质谱仪与回旋加速器 班级： 姓名： 学号： 1.1922年，英国科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．质谱仪的两大重要组成部分是加速电场和偏转磁场．如图所示为质谱仪的原理图，设想有一个静止的带电粒子P(不计重力)，经电压为U的加速电场加速后，垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到底片上的D点．设OD＝x，则在下列图中能正确反映x2与U之间函数关系的是(　　) 2.质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．如图所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量．让氢元素三种同位素的离子流从容器A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场，加速后垂直进入