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)

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第4节 质谱仪与回旋加速器

知识导图

核心素养

1.科学思维:通过带电粒子在质谱仪和回旋加速器的运动分析,体会物理模型在探索自然规律中的作用

2.科学态度与责任:通过质谱仪和回旋加速器在实际生活中的应用,体会科学技术对社会发展的促进作用

[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(  )

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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=.page number 1

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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page number 2

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