1.4 质谱仪与回旋加速器 课件-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

该高中物理课件聚焦“质谱仪与回旋加速器”，通过“如何分开电荷量相同、质量不同的粒子”问题导入，先回顾电场偏转方案发现不可行，再引出磁场偏转方案，构建“猜想—验证—改进”的学习支架，衔接洛伦兹力等前序知识。 其亮点是以问题驱动科学探究，通过推导论证建构质谱仪、回旋加速器模型，体现科学思维中的模型建构与科学推理。如质谱仪从基本原理到加入速度选择器的改进，结合全国卷真题训练，帮助学生深化物理观念，提升解决实际问题能力，教师可借此高效落实核心素养。

第3节 质谱仪与回旋加速器 新教材人教版 物理（选择性必修第二册） 第一章 安培力与洛伦兹力 课堂引入 在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。 利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？ 温故知新 猜想一： 先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示： U0 L y U d m , q （1）先加速 （2）再偏转（类平抛运动） 由： 得： 纵向： 横向： 得： 由粒子的轨迹方程可知，粒子的轨迹与粒子的性质无关，无法分开比荷不同的粒子。 一、质谱仪 猜想二： 先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强磁场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示： （1）先加速 （2）再偏转(匀速圆周运动） 由： 得： 得： 由粒子的轨道半径表达式可知，比荷不同的带电粒子的半径不同，这种方法可以分开比荷不同的粒子。 U0 B m , q 一、质谱仪 1、质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。 2、结构及作用 ： ①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子 ②加速电场：使带电粒子获得速度 ③偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离 ④照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 一、质谱仪 3、原理 ： 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 （1）先加速： 得： （2）再偏转： 得： 质谱仪还可以计算粒子的质量 质谱仪还可以计算粒子的比荷 一、质谱仪 4、带电粒子初速不等于0 ： 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 弊端：初速度不等于0的话，区别不开。 一、质谱仪 改进版 ： 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 速度选择器 原理图 加速电场 速度选择器 U1 一、质谱仪 一、质谱仪 针对训练　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，它的构造原理如图所示．离子源S0产生的各种不同正离子束(初速度可看作零)，经加速电场(加速电场极板间的距离为d、电势差为U)加速，然后垂直进入磁感应强度为B的有界匀强磁场中做匀速圆周运动，最后到达记录它的照相底片P上．设离子在P上的位置与入口处S1之间的距离为x.(1)求该离子的比荷；(2)若离子源产生的是带电荷量为q、质量为m1和m2的同位素离子(m1>m2)，它们分别到达照相底片的P1、P2位置(图中未画出)，求P1、P2间的距离Δx. 二、回旋加速器 U ~ ＋ － U 0 u0 -u0 t T 2T 直线多级加速器 直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。有没有什么办法改进？ 二、回旋加速器 1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内进行多级加速。观察结构，并尝试说明其工作原理？ 工作原理：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件——两个D形盒和其间的窄缝内完成。 二、回旋加速器 一、质谱仪 3、原理 ： 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 （1）先加速： 得： （2）再偏转： 得： 质谱仪还可以计算粒子的质量 质谱仪还可以计算粒子的比荷 一、质谱仪 改进版 ： 电离室 加速电场 偏转磁场 照相底片 速度选择器 原理图 加速电场 速度选择器 U1 二、回旋加速器 1.交变电流周期是多少？（忽略狭缝加速时间） 粒子每转半圈，电场方向改变一次，故电场周期与粒子做圆周运动的周期相同： 2.粒子离开回旋加速器速度是多少？ 带电粒子最后从D型盒边缘离开，此时满足： 3.粒子离开回旋加速器动能是多少？ 接高频 电源 狭缝 粒子源             回旋加速器的原理分析 电场加速： 二、回旋加速器 二、回旋加速器 接高频 电源 狭缝 粒子源             4.从发射到离开一共加速几次？ 每次加速获得能量qU，故加速次数： 5.粒子在磁场中一共运动多少时间？ 每次加速后转半圈，故磁场中时间： 6.如果要求电场中的时间呢？ 回旋加速器的原理分析 二、回旋加速器 二、回旋加速器 1.交变电流周期： 2.粒子时的速度： 3.离开时的动能： 4.一共加速次数： 5.磁场运动时间： 6.电场运动时间： 每换一种粒子都得调整交变电流周期 速度与D型盒半径以及磁感应强度有关，与U无关 动能与D型盒半径以及磁感应强度有关，与U无关 加速次数与D型盒半径、磁感应强度、电压U有关 磁场时间与D型盒半径、磁感应强度、电压U有关 电场时间与缝间距、D型盒半径、磁感应强度、电压U有关 带电粒子加速后速度增大,周期需要改变吗?如果改变，这将带来什么技术难关，你觉得如何改进？ 粒子速度v接近光速c时，质量变大，在磁场中运动周期改变，与交变电场周期不同步。 改进： 二、回旋加速器 课时训练 9.(2021·绵阳市江油中学高二月考)美国物理学家劳伦斯于1932年发明的回旋加速器，利用带电粒子在匀强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．如图所示为一种改进后的回旋加速器示意图，其中盒缝间的加速电场的电场强度大小恒定，且被限制在A、C板间，带电粒子从P0处由静止释放，并沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D形盒中的匀强磁场中做匀速圆周运动．对于这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是(　　)A．带电粒子每运动半周被加速一次B．P1P2＝P2P3C．粒子能获得的最大速度与D形盒的尺寸有关D．A、C板间的加速电场的方向需要做周期性的变化 课时训练 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，则在下列图像中能正确反映x2与U之间函数关系的是(　　) 课时训练 课时训练 3.(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，它的构造原理如图所示．离子源S产生的各种不同正离子束(初速度可看作为零)，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上的位置与进入磁场处之间的距离为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等D．只要x相同，则离子质量一定相等 课时训练 4．(多选)回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，粒子重力不计，下列说法正确的是(　　)A．增大交流电源的电压 B．增大磁感应强度C．减小狭缝间的距离 D．增大D形盒的半径 课时训练 课时训练 课时训练 7．如图甲所示是用来加速带电粒子的回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中，两盒分别与高频电源相连．带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t的变化规律如图乙所示，忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断正确的是(　　)A．在Ek－t图像中应有t4－t3<t3－t2<t2－t1B．加速电压越大，粒子最后获得的动能就越大C．粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大D．要想粒子获得的最大动能增大，可增加D形盒的半径 课时训练 课时训练 THANKS “ ” Lavf58.29.100 $