第1章 第4节 质谱仪与回旋加速器-【创新教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第二册五维课堂同步Word教案（人教版2019）

第4节　质谱仪与回旋加速器

[知识梳理]

知识点一　质谱仪

1．质谱仪的用途：测定带电粒子质量和分析  同位素  的重要工具．

2．质谱仪工作原理

(1)粒子经过同一电场加速，由动能定理知  qU ＝mv2.

(2)垂直进入同一匀强磁场中做匀速圆周运动，  qvB  ＝m得：r＝ .

知识点二　回旋加速器

1．回旋加速器的工作原理：回旋加速器主要由两个  D形盒  组成，两D形盒之间的电场  使带电粒子加速，垂直于D形盒的  磁场  使带电粒子回旋．

2．交流电源的周期：回旋加速器交流电源的周期等于带电粒子  在磁场中的运动周期  ．

[基础自测]

1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)同位素经加速电场加速后获得的速度相同．(  ×  )

(2)因不同原子的质量不同，所以同位素在质谱仪中的半径不同．(  √  )

2. (多选)质谱仪的构造原理如图所示，从粒子源S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进入有界的垂直纸面向里的匀强磁场区域，并沿着半圆周运动而达到照相底片上的P点，测得P点到入口的距离为x，则以下说法正确的是(　　)

A．粒子一定带正电

B．粒子一定带负电

C．x越大，则粒子的质量与电荷量之比一定越大

D．x越大，则粒子的质量与电荷量之比一定越小

解析：AC　[根据粒子的运动方向和洛伦兹力方向，由左手定则知粒子带正电，故A正确，B错误．根据半径公式r＝知，x＝2r＝，又qU＝mv2，联立解得x＝ ，知x越大，质量与电荷量的比值越大，故C正确，D错误．]

3．(多选)在回旋加速器中(　　)

A．电场用来加速带电粒子，磁场则使带电粒子回旋

B．电场和磁场同时用来加速带电粒子

C．在交流电压一定的条件下，回旋加速器的半径越大，则带电粒子获得的动能越大

D．同一带电粒子获得的最大动能只与交流电压的大小有关，而与交流电压的频率无关

解析：AC　[电场的作用是使粒子加速，磁场的作用是使粒子回旋，故A选项正确；粒子获得的动能Ek＝，对同一粒子，回旋加速器的半径越大，粒子获得的动能越大，故C选项正确．]

 

质谱仪

◆[探究导引]

　在如图所示的质谱仪中，粒子在S1区域做什么运动？在S2区域做何种运动？粒子进入磁场时的速率为多大？粒子在磁场中运动的轨道半径是多大？

提示　在S1区域做初速度为零的匀加速直线运动．在S2区域做匀速直线运动．进入磁场时的速率为v＝.

在磁场中运动的轨道半径r＝.

◆[探究归纳]

1．原理图：如图所示．

2．过程分析

(1)加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得：qU＝mv2.

(2)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＝.

由以上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，半径将随质量变化．

3．质谱仪的应用：可以测定带电粒子的质量和分析同位素．

[例1]　 (多选)质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图，离子源S产生的各种不同正离子束(初速度可看作零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到进入磁场处的距离为x，可以判断(　　)

A．若离子束是同位素，则x越大，离子质量越大

B．若离子束是同位素，则x越大，离子质量越小

C．只要x相同，则离子的比荷一定相同

D．只要x相同，则离子质量一定相同