1..4 质谱仪与回旋加速器 导学案-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

选修二第一章安培力和洛伦兹力 第4节　质谱仪与回旋加速器 学案设计 学习目标 1.知道质谱仪和回旋加速器的工作原理。 2.掌握带电粒子在电磁场中运动的基本分析方法,并会解决带电粒子运动的相关问题。 3.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。 自主预习 一、质谱仪 1.质谱仪最初是由阿斯顿设计的,是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。 2.不同粒子进入磁场后将沿着不同的　　　　　　　做圆周运动,打到照相底片不同的地方,在底片上形成若干谱线。  二、回旋加速器 1.回旋加速器由美国物理学家　　　　　于1932年发明。核心部件为两个　　　　(加匀强磁场)和其间的夹缝(加交变电场)。  2.回旋加速器是利用电场对电荷的　　　　　　作用和磁场对运动电荷的　　　　作用来获得高能粒子的装置。由于带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期T=　　　　,与速率和半径无关,所以只要交变电场的变化周期　　　粒子运动的周期,就可以使粒子每次通过电场时都能得到加速;粒子通过D形金属扁盒时,由于金属盒的静电屏蔽作用,盒内空间的电场极弱。所以粒子只受洛伦兹力作用而做　　　　　　　　　　。  3.带电粒子经加速后的最终能量:　　　　　　　。  课堂探究 (一)质谱仪工作原理 [情境设问]在科学研究和工业生产中,常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。利用同学们的现有知识,你能设计一个实验方案,对不同比荷的带电粒子进行有效分离吗? 图1.4-17 [科学推理与论证]如图1.4-17所示,一质量为m,电荷量为q的粒子从容器A下方小孔S1飘入电势差为U的加速电场,然后让粒子垂直进入磁感应强度为B的磁场中,最后打到底片D上。 (1)求粒子进入磁场时的速率v。 (2)求粒子在磁场中运动的轨道半径r。 (3)求在偏转磁场中,带电粒子的偏转距离x与半径r的关系。 (4)求粒子的质量。 结论1:由粒子质量公式　　　　可知,如果带电粒子的电荷量相同,质量　　　　,就会打在照相底片上的　　　　。  【例题1】 图1.4-18 (多选)图1.4-18是质谱仪的工作原理示意图。带电粒子被加速电场加速后,进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2。平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是(　　) A.质谱仪是分析同位素的重要工具 B.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 C.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于 D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的比荷越小 (二)回旋加速器 [情境设问]在粒子物理学的研究中,经常需要高能粒子作为“炮弹”去轰击未知原子,以便“打开”其内部结构。那如何才能获得需要的高能粒子呢? 方法一:多级直线加速 图1.4-19 结论2:多级直线加速原理:　　　　　　　　　。  方法二:回旋加速器 图1.4-20 [提出问题]你认为回旋加速器中电场变化的周期是恒定的吗? 结论3:带电粒子的回旋周期T=　　　　跟　　　　无关,而电场的变化周期应该等于带电粒子的回旋周期。  [提出问题]某种带电粒子在回旋加速器中被持续加速后,带电粒子的能量能无限增大吗?这个最大能量跟加速电压有关吗? 结论4:粒子最大动能Em=　　　　由回旋加速器D形盒的　　　　及盒内磁感应强度B共同决定。  【例题2】(多选)1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器,其原理如图1.4-21所示,这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成,其间留有空隙,下列说法正确的是(　　) 图1.4-21 A.带电粒子由加速器的中心附近进入加速器 B.带电粒子由加速器的边缘进入加速器 C.电场使带电粒子加速,磁场使带电粒子旋转 D.粒子从D形盒射出时的动能与加速电场的电压无关 核心素养专练 1.如果用同一回旋加速器分别加速氚核H)和α粒子He),比较它们所加的高频交流电源的周期和获得的最大动能的大小,有(　　) A.加速氚核的交流电源的周期较大,氚核获得的最大动能也较大 B.加速氚核的交流电源的周期较大,氚核获得的最大动能较小 C.加速氚核的交流电源的周期较小,氚核获得的最大动能也较小 D.加速氚核的交流电源的周期较小,氚核获得的最大动能较大 2.如图1.4-22所示,不同元素的二价离子经加速后竖直向下射入由正交的匀强电场和匀强磁场组成的粒子速度选择器,恰好都能沿直线穿过,然后垂直于磁感线进入速度选择器下方另一个匀强磁场,偏转半周后分别打在荧屏上的M、N两点。下列说法中不正确的有(　　) 图1.4-22 A.这两种二价离子一定都是负离子 B.速度选择器中的匀强磁场方向垂直于纸面向里 C.打在M、N两点的离子的质量之比为OM∶ON D.打在M、N两点的离子在下面的磁场中经历的时间相等 参考答案 自主预习 一、2.半径 二、1.劳伦斯　D形盒 2.加速　偏转　　等于　匀速圆周运动 3.Em=mv2= 课堂探究 [科学推理与认证] (1)v=　(2)r=　(3)x=2r　(4)m= 结论1:m=　不同　不同位置 【例题1】 例题解答:设一带正电的粒子经过速度选择器,受水平向右的电场力,要使粒子沿直线通过场区,则须受水平向左的洛伦兹力,根据左手定则,知所加磁场方向垂直纸面向外,且满足qE=qvB,故带电粒子的速率v=,B、C正确;通过狭缝P的粒子速率都相等,在磁场内做圆周运动,打在胶片上的位置与狭缝P的距离s=2r=越小,则s越大,D错误;同位素因比荷不同,而s不同,故质谱仪是分析同位素的重要工具,A正确。 答案:ABC 结论2:nqU=mv2 结论3:　速度 结论4:mv2=　半径 【例题2】 例题解答:根据回旋加速器的加速原理,被加速粒子只能由加速器的中心附近进入加速器,从边缘离开加速器,故A正确,B错误;在磁场中洛伦兹力不做功,粒子是从电场中获得能量,故C正确;当粒子离开回旋加速器时,半径最大,动能最大,Em=mv2=,与加速电场的电压无关,故D正确。 答案:ACD 核心素养专练 1.B　2.D 学科网（北京）股份有限公司 $