1.4 质谱仪和回旋加速器 导学案-2024-2025学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

1.4  质谱仪与回旋加速器

一、质谱仪

如图所示为质谱仪的结构示意图，其主要构件有粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片。

思考并回答以下问题：

运动过程分析：

1. 质量m、带电量q的带电粒子从粒子源A下方的孔飘入加速电场，初速度几乎为0
2. 带电粒子经过电压为U的加速电场加速，从孔以速度v飞出。求速度v的大小

 

 

3. 带电粒子从孔垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，做匀速圆周运动，最终打在照相底片上。判断带电粒子的电性并求出半径r

 

 

总结：

 

 

 

例1：质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的一种仪器，它的工作原理如图所示，带电粒子（不计重力，初速度为0）经同一电场加速后，垂直进入同一匀强磁场做匀速圆周运动，然后利用相关规律计算出带电粒子质量。虚线为某粒子运动轨迹，由图可知（    ）

A．此粒子带负电                        

B. 下极板S2比上极板S1电势高

C．若只减小加速电压U，则半径r变大     

D. 若只减小入射粒子的质量，则半径r变小

例2：速度相同的一束粒子由左端射入质谱仪后分成甲、乙两束，其运动轨迹如图所示，其中S0A＝S0C，则下列说法正确的是（    ）

A．甲束粒子带正电，乙束粒子带负电

B．甲束粒子的比荷大于乙束粒子的比荷

C．能通过狭缝S0的带电粒子的速率等于

D．若甲、乙两束粒子的电荷量相等，则甲、乙两束粒子的质量之比为

3∶2

 

二、回旋加速器

如图所示为回旋加速器的结构示意图，其主要构件有两个半圆形金属盒（缝隙处接交流电源，间距为d，D形盒处于与盒面垂直的匀强磁场中）、粒子源（放置在中心位置附近）。已知加速电压的大小为U，匀强磁场的磁感应强度为B，D形盒的半径为R，带电粒子的电荷量为q，质量为m。思考并回答以下问题：

1. 回旋加速器中的电场和磁场分别起什么作用？

 

 

2. 为了保证粒子不断被加速，对交流电源的周期有什么要求？

 

 

3. 粒子能获得的最大动能是多少？有哪些措施可以提高粒子获得的最大动能？

 

 

 

 

4. 粒子每次加速获得的动能是多大？如何计算粒子的加速次数？

 

 

 

5. 粒子在磁场和电场中运动的时间分别是多少？

 

 

 

6. 粒子能否被无限制地回旋加速？为什么？

 

 

例3：如图所示为回旋加速器示意图，利用回旋加速器对氘核进行加速，此时D形盒中的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，直到达到最大圆周半径时通过特殊装置被引出，忽略相对论效应和粒子在D形盒缝隙间的运动时间，下列说法正确的是（    ）

1. 氘核从磁场中获得能量
2. 只增大加速电压U，氘核获得的最大动能增大