1.4 质谱仪与回旋加速器 学案-高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

物理组编制人审核人：时间：1.4质谱仪与回旋加速器【学习目标】了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。经历质谱仪工作原理的推理过程，体会逻辑推理的思维方法。了解回旋加速器的原理及面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。【核心素养】课标要求：了解带电粒子在磁场中的偏转及其应用。【必备知识生成案】1.质量为m带电量为q的静止带电粒子，经电压为U的电场加速后速度是多少？2.速度选择器原理？V=？（用E和B表示）3.速度为v、质量为m、带电量为q的带电粒子在磁场强度为B的磁场中运动，半径R和周期T各是多少？关键能力探究案【合作探究1】质谱仪阅读课本，说明质谱仪主要有哪些部分结构、对应的工作原理？如图所示，质量为m、电荷量为q的粒子，从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为0，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上（胶片D垂直于小孔S1S3的连线）。试分析粒子打到的位置与粒子质量、电量有关系。你现在是否能说明：该仪器为什么称为质谱仪？【学以致用1】1.A、B是两种同位素的原子核，它们具有相同的电荷、不同的质量。为测定它们的质量比，使它们从质谱仪的同一加速电场由静止开始加速，然后沿着与磁场垂直的方向进入同一匀强磁场，打到照相底片上。如果从底片上获知A、B在磁场中运动轨迹的直径之比是1.08∶1，求A、B的质量之比。2.质谱仪的工作原理图如图所示，若干电荷量均为+q（q>0）而质量m不同的带电粒子经过加速电场加速后，垂直电场方向射入速度选择器，速度选择器中的电场E和磁场B1的方向都与粒子速度的方向垂直，且电场E的方向也垂直于磁场B1的方向。通过速度选择器的粒子接着进入匀强磁场B2中，沿着半圆周运动后到达照相底片上形成谱线。若测出谱线到狭缝P的距离为x，不计带电粒子受到的重力和带电粒子之间的相互作用，则下列说法正确的是（）A．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里B．这些带电粒子通过狭缝P的速率都等于EB1C．x与这些带电粒子的质量m成正比D．x越大，带电粒子的比荷越大【合作探究2】回旋加速器阅读课本，说明回旋加速器的结构、工作原理。2.带电粒子在回旋加速器中运动的周期？交流电周期T与这个周期有什么关系？3.带电粒子在回旋加速器中的最大动能（设最大半径为R，电量q质量m磁感强度B）？【学以致用2】1.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极相连接的两个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形金属盒处于垂直盒底的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法正确的是（）A．增大电场的加速电压 B．减小磁场的磁感应强度C．减小狭缝间的距离 D．增大磁场的磁感应强度2.如图所示为回旋加速器示意图，利用回旋加速器对H粒子进行加速，此时D形盒中的磁场的磁感应强度大小为B，D形盒缝隙间电场变化周期为T，加速电压为U。忽略相对论效应和粒子在D形盒缝隙间的运动时间，下列说法正确的是（）A．保持B、U和T不变，该回旋加速器可以加速质子B．只增大加速电压U，H粒子获得的最大动能增大C．只增大加速电压U，H粒子在回旋加速器中运动的时间变短D．回旋加速器只能加速带正电的粒子，不能加速带负电的粒子

【核心素养提升】1．（2020海南高考）用质谱仪测量带电粒子的比荷，其原理如图所示，A是粒子源，释放出的带电粒子（不计重力），经小孔S1飘入电压为U的加速电场（初速度可忽略不计），加速后经小孔S3进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打在照相底片上D点。测得D点到S3的距离为d，则该粒子的比荷为（）A．B．C． D．2．质谱仪的原理如图所示，虚线AD上方区域处在垂直纸面向外的匀强磁场中，C、D间有一荧光屏。同位素离子源产生a、b两种电荷量相同的离子，无初速度进入加速电场，经同一电压加速后，垂直进入磁场，a离子恰好打在荧光屏C点，b离子恰好打在D点。离子重力不计。则（）A．a离子质量比b的大 B．a离子质量比b的小C．a离子在磁场中的运动时间比b的长 D．a、b离子在磁场中的运动时间相等3．1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，凭此成果，他于1939年获得诺贝尔物理学奖，其原理如图所示，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（）A．带电粒子由加速器的边缘进入加速器B．带电粒子每次进入D形盒时做加速圆周运动C．被加速的带电粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期随半径的增大而增大D．经过半个圆周后带电粒子再次到达两盒间的缝隙时，两盒间的电压恰好改变正负D．回旋加速器只能加速带正电的粒子，不能加速带负电的粒子4.（2021广西高考）回旋加速器是利用较低电压的高频电源，使粒子经多次加速获得大速度的一种仪器，工作原理如图下列说法正确的是()A．电场和磁场都对带电粒子起加速作用B．粒子由A0运动到A1比粒子由A2运动到A3所用时间少C．粒子的轨道半径与它的速率成正比D．粒子的运动周期和运动速率成正比5.（2021年湖南高考）如图所示，一束电子以垂直于磁感应强度B并垂直于磁场边界的速度v射入宽度为d的匀强磁场中，穿出磁场时速度方向和原来射入方向的夹角为θ＝60°，求电子的比荷和穿越磁场的时间。6.回旋加速器两个D形金属盒分别和一高频交流电源两极相接，两盒放在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近。若粒子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为R，求：粒子在盒内做何种运动；（2）所加交流电源的频率；（3）粒子加速后获得的最大动能。7．（2021年河北高考）如图所示，在x轴的上方存在垂直纸面向里、磁感应强度大小为B0的匀强磁场。位于x轴下方离子源C发射质量为m、电荷量为q的一束负离子，其初速度大小范围为。这束离子经电势差为的电场加速后，从小孔O（坐标原点）垂直x轴并垂直磁场射入磁场区域，最后打到x轴上，在x轴上区间水平固定放置一探测板（）。假设每秒射入磁场的离子总数为，打到x轴上的