第1章 第4节 第2课时 质谱仪和回旋加速器-【优学精讲】2026-2027学年高中物理选择性必修二同步课件（教科版·新教材）

第2课时　质谱仪和回旋加速器 内 容 索 引 核心知识 深度探究 1 1 随堂演练 巩固落实 2 核心知识 深度探究 第一部分 3 知识点一 质谱仪　 物理情境探究 情境探究1 在如图所示的质谱仪中，质量为m、带电量为q的粒子在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？ 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。 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。 返回导航 返回导航 返回导航 例1　 典型例题共研 D 返回导航 返回导航 例2　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。现有一质量为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。 返回导航 (1)粒子的速度v为多少？ 返回导航 (2)速度选择器两板间电压U2为多少？ 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？ 返回导航 知识点二　回旋加速器　 物理情境探究 情境探究2 (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？ [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。 (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。 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)。 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。 返回导航 返回导航 处理回旋加速器的应用题应注意以下两点： (1)交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相同，回旋加速器才能正常工作。 (2)根据匀速圆周运动知识求出粒子最大速度的表达式，再据此判断它与何物理量有关。 返回导航 例3　 典型例题共研 D 返回导航 [解析]　由左手定则可判断出题图中回旋加速器加速的带电粒子一定带正电，A错误； 返回导航 例4　某型号的回旋加速器的工作原理如图甲所示，图乙为俯视图。回旋加速器的核心部分为D形盒，D形盒装在真空容器中，整个装置放在电磁铁两极之间的磁场中，磁场可以认为是匀强磁场，且与D形盒盒面垂直。两盒间狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计。质子从粒子源A处进入加速电场的初速度不计，已知磁场的磁感应强度为B，质子质量为m、电荷量为＋q，D形盒半径为R，加速器接一定频率高频交流电源，其电压为U，不考虑相对论效应和重力作用。求： 返回导航 (1)质子第1次经过狭缝被加速后进入D形盒运动轨道的半径； 返回导航 (2)质子第1次和第3次经过狭缝进入D形盒位置间的距离； 返回导航 (3)从静止开始加速到出口处所需的时间t。 返回导航 例5　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 C 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，故A、D错误； 返回导航 返回导航 题后小结 返回导航 题后小结 随堂演练 巩固落实 第二部分 29 C 1．(回旋加速器)某小型医用回旋加速器最大回旋半径为0.5 m，磁感应强度大小为1.12 T，质子加速后获得的最大动能为1.5×107 eV。根据给出的数据，可计算质子经该回旋加速器加速后的最大速率约为(忽略相对论效应，1 eV＝1.6×10-19 J)(　　) A．3.6×106 m/s B．1.2×107 m/s C．5.4×107 m/s D．2.4×108 m/s 返回导航 D 2．(质谱仪)(2025·四川广元期末)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 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； 返回导航 返回导航 A 3．(回旋加速器)回旋加速器示意图如图所示，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并与高频电源相连。现分别加速氘核和氦核。下列说法正确的是(　　) A．它们的最大速度相同 B．它们的最大动能相同 C．增大高频电源的电压可增大粒子的最大射出动能 D．氘核第二次和第一次经过D形盒间狭缝后轨道半径之比为2∶1 返回导航 返回导航 返回导航 $