第1章 第4节 第2课时 质谱仪和回旋加速器-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第二册教用课件(教科版)

第4节　洛伦兹力的应用 第2课时　质谱仪和回旋加速器 课堂 深度探究 1 内容 索引 随堂 巩固落实 2 课堂 深度探究 PART 01 第一部分 3 知识点一　质谱仪 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？ 课堂 深度探究 返回导航 课堂 深度探究 返回导航 质谱仪是利用电场和磁场控制电荷运动的精密仪器，它是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。 课堂 深度探究 返回导航 1．质谱仪的组成 (1)离子源：能生成带电粒子。 (2)加速电场：带电粒子经过加速电场获得了一定的速度。 (3)偏转磁场：粒子进入偏转磁场做匀速圆周运动，运动半个圆周后打到照相底片的某个位置。 (4)照相底片：粒子在底片上显示出相应的位置。 课堂 深度探究 返回导航 课堂 深度探究 返回导航 课堂 深度探究 返回导航 　某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示，A为粒子加速器，加速电压为U1；B为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，两板间距离为d；C为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为e的正粒子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动。 课堂 深度探究 返回导航 (1)粒子的速度v为多少？ 课堂 深度探究 返回导航 (2)速度选择器两板间电压U2为多少？ 课堂 深度探究 返回导航 (3)粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？ 课堂 深度探究 返回导航 　(多选)(2024·辽宁沈阳期末)如图所示为质谱仪的结构图，该质谱仪由速度选择器与偏转磁场两部分组成，已知速度选择器中的磁感应强度大小为B0、电场强度大小为E，荧光屏PQ下方匀强磁场的方向垂直于纸面向外，磁感应强度大小为B0。三个电荷量均为q、质量不同的粒子沿竖直方向经速度选择器由荧光屏上的狭缝O进入偏转磁场，最终打在荧光屏上的S1、S2、S3处，相对应的三个粒子的质量分别为m1、m2、m3(粒子的质量均未知)，忽略粒子所受的重力以及粒子间的相互作用，则下列说法正确的是(　　) 课堂 深度探究 返回导航 √ √ 课堂 深度探究 返回导航 [解析]　三个粒子进入PQ下方磁场后所受洛伦兹力向左，根据左手定则，可知三个粒子均带正电，粒子在速度选择器中做匀速直线运动，根据平衡条件有qvB0＝qE，如果M板带正电，粒子在速度选择器中所受电场力方向向右，则所受洛伦兹力方向向左，由左手定则可知速度选择器中磁场方向垂直于纸面向外，故A正确； 课堂 深度探究 返回导航 课堂 深度探究 返回导航 1．回旋加速器原理图如图所示。回旋加速器所加的电场和磁场各起什么作用？电场为什么是交变电场？ 知识点二　回旋加速器 [提示]　电场对粒子加速，磁场使粒子偏转，为了使粒子每次经过D形盒的缝隙时都被加速，需加上与它圆周运动周期相同的交变电场。 课堂 深度探究 返回导航 2．粒子每次经过D形盒狭缝时，电场力做功多少一样吗？粒子经回旋加速器加速后，最终获得的动能与交变电压大小有无关系？ [提示]　电场力做功一样多。最终获得的动能与交变电压大小无关。　 课堂 深度探究 返回导航 1．回旋加速器的构造图   回旋加速器的核心部件是：两个D形盒(半圆金属盒)。 课堂 深度探究 返回导航 2．回旋加速器的原理 (1)粒子第一次经加速电场加速后进入磁场，转半周后，再进入D形盒狭缝之间的加速电场，此时电场方向已经与第一次加速时反向，粒子进行第二次加速，而后重复上述运动。 (2)粒子每在磁场中转半周，就在电场中加速一次，直到轨道半径达到D形盒半径为止，粒子被加速到最大速度。 (3)加速电场是周期性变化的，必须由周期性变化的交流电源提供。 课堂 深度探究 返回导航 课堂 深度探究 返回导航 课堂 深度探究 返回导航 √ 课堂 深度探究 返回导航 根据A选项分析可知，周期与半径无关，故B错误； 课堂 深度探究 返回导航 √ 课堂 深度探究 返回导航 课堂 深度探究 返回导航 课堂 深度探究 返回导航 √ 　(2024·江苏扬州统考期中)回旋加速器利用带电粒子在磁场中做圆周运动的特点，使粒子在较小的空间范围内经过电场的多次加速获得较大的能量。如图所示的是一种改进后的回旋加速器示意图，其中盒缝间的加速电场场强大小恒定，且被限制在M、N板间，带电粒子从P0处以速度v0沿电场线方向射入加速电场，经加速后进入D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，下列说法正确的是(　　) A．带电粒子每运动一周被加速两次 B．粒子每运动一周半径的增加量都相等 C．增大板间电压，粒子最终获得的最大动能不变 D．加速电场方向需要做周期性的变化 课堂 深度探究 返回导航 [解析]　带电粒子只有经过M、N板间时被加速，即带电粒子每运动一周被加速一次，电场的方向不需改变，只在M、N间加速，故A、D错误； 课堂 深度探究 返回导航 课堂 深度探究 返回导航 随堂 巩固落实 PART 02 第二部分 32 √ 1．(回旋加速器)(多选)(2024·福建省龙岩第一中学月考)1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示。加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙。当加速某种离子时，下列说法正确的是(　　) A．离子由加速器的边缘进入加速器 B．磁感应强度一定时，D形盒半径越大， 离子获得的最大动能越大 C．交变电源电压越高，离子获得的最大动能越大 D．交变电源的频率一定等于离子做匀速圆周运动的频率 √ 随堂 巩固落实 返回导航 解析：回旋加速器的离子是从加速器的中心处进入加速器的，故A错误； 离子离开加速器时，即到达加速器边缘，那么离子运动半径恒定，速度恒定，那么离子获得的动能恒定，即交变电源电压的高低不影响离子获得的最大动能，故C错误； 随堂 巩固落实 返回导航 离子在铜质D形盒中运行半个圆周，进入电场进行一次加速，然后在进入另一个铜质D形盒中运行半个圆周，再进入电场进行一次加速，由于离子在铜质D形盒中运动的时间与速度无关，所以交变电源的频率一定等于离子做匀速圆周运动的频率，故D正确。 随堂 巩固落实 返回导航 √ 2．(质谱仪)(2024·湖北武汉十一中校考)现代质谱仪可用来分析比质子重很多的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为(　　) A．11 B．12 C．21 D．144 随堂 巩固落实 返回导航 随堂 巩固落实 返回导航 √ 3．(质谱仪)(2024·广东深圳期末)质谱仪的工作原理如图所示，电荷量相同、质量不同的三种带电粒子从容器A下方的小孔无初速度飘入电压为U的加速电场，加速后垂直于MN进入磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向外。最后垂直于MN打在照相底片D上，形成a、b、c三条质谱线，下列说法正确的是(　　) A．三种粒子均带负电荷 B．三种粒子在磁场中运动的时间一样长 C．a谱线对应的粒子在进入磁场时动能最大 D．a谱线对应的粒子质量最大 随堂 巩固落实 返回导航 解析：由三种粒子在磁场中的运动轨迹和左手定则判定，三种粒子均带正电荷，A错误； 随堂 巩固落实 返回导航 随堂 巩固落实 返回导航 √ 随堂 巩固落实 返回导航 若增大交变电压U，则质子在加速器中加速的次数将减少，则运行时间将减少，B错误； 随堂 巩固落实 返回导航 [提示]　粒子在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＝。　 $