第1章 第4节 质谱仪与回旋加速器-【优学精讲】2026-2027学年高中物理选择性必修二同步课件（人教版·新教材）

第4节　质谱仪与回旋加速器 学习目标 1．理解质谱仪的工作原理。　2.理解回旋加速器的工作原理。　3.会分析带电粒子在质谱仪和回旋加速器中的运动。 返回导航 内 容 索 引 基础自主梳理 1 1 核心知识 深度探究 2 随堂演练 巩固落实 1 3 基础自主梳理 第一部分 4 一、质谱仪 1．原理图：如图所示。 返回导航 3．偏转 带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，圆周的半径为r＝___②。 5．质谱仪的应用 可以测定带电粒子的质量和分析同位素。 返回导航 二、回旋加速器 1．回旋加速器的结构 两个中空的_______________D1和D2，处于与盒面垂直的____________中，D1和D2间有一定的电势差，如图所示。 半圆金属盒 匀强磁场 返回导航 2．回旋加速器的原理：A处的粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，所以粒子在磁场中做__________________。经过半个圆周之后，当粒子再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒间的电势差，使其恰好改变正负，于是粒子经过两盒间的缝隙时再一次被加速。带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期T ＝_____。对一定的带电粒子和一定的磁场来说，这个周期是______的，粒子的速率和半径一次比一次___。 匀速圆周运动 不变 大 返回导航 深化辨析 判断下列说法是否正确 (1)质谱仪只能区分电荷量不同的粒子。(　　) (2)质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的仪器。(　　) (3)回旋加速器的加速电压越高，带电粒子获得的最大动能就越大。(　　) (4)利用回旋加速器加速带电粒子，要提高带电粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R。(　　) × √ × √ 返回导航 核心知识 深度探究 第二部分 10 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、电荷量为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：粒子进入偏转磁场后做匀速圆周运动，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 典型例题共研 A　 返回导航 返回导航 例2　【教材经典P22第5题】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。 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 返回导航 (1)粒子到达Q点时的速度大小v； [答案]　6×103 m/s　 返回导航 (2)从P点到A点，粒子的位移大小x； [答案]　0.15 m　 返回导航 (3)粒子从P点运动到A点的时间t。 [答案]　6.14×10－5 s 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。 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。 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 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。一种改进后的回旋加速器示意图如图所示，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 第三部分 随堂演练 巩固落实 34 1.(质谱仪)如图所示，有a、b、c、d四个粒子，它们带同种电荷且电荷量相等，它们的速率关系为va<vb＝vc<vd，质量关系为ma＝mb<mc＝md，进入速度选择器后，只有两种粒子能从速度选择器中射出，由此可以判定(　　) A．射向A2的是d粒子 B．射向P2的是b粒子 C．射向A1的是c粒子 D．射向P1的是a粒子 D　 返回导航 返回导航 B　 返回导航 返回导航 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 A　 返回导航 返回导航 返回导航 $