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

高二物理导学案选择性必修第二册第一章安培力与洛伦兹力.4质谱仪与回旋加速器班级：姓名：学号：[学习目标]1.知道质谱仪的构造及工作原理，会确定粒子在磁场中运动的半径，会求粒子的比荷.2.知道回旋加速器的构造及工作原理，知道交流电的周期与粒子在磁场中运动的周期之间的关系，知道决定粒子最大动能的因素．【基础知识梳理】一、质谱仪1．质谱仪构造：主要构件有加速__________、偏转________和照相底片．2．运动过程(如图)(1)带电粒子经过电压为U的加速电场加速，________＝eq\f(1,2)mv2.(2)垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，做匀速圆周运动，r＝____________________，可得r＝________________________.3．分析：从粒子打在底片D上的位置可以测出圆周的半径r，进而可以算出粒子的________．二、回旋加速器1．回旋加速器的构造：两个D形盒，两D形盒接________流电源，D形盒处于垂直于D形盒的匀强________中，如图．2．工作原理(1)电场的特点及作用特点：两个D形盒之间的窄缝区域存在________________的电场．作用：带电粒子经过该区域时被________．(2)磁场的特点及作用特点：D形盒处于与盒面垂直的________磁场中．作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做___________运动，从而改变运动________，________圆周后再次进入电场．【典型例题】例1(2022·南京市第十二中学高二阶段练习)如图所示为质谱仪测定带电粒子质量的装置的示意图．速度选择器(也称滤速器)中电场强度E的方向竖直向下，磁感应强度B1的方向垂直纸面向里，分离器中磁感应强度B2的方向垂直纸面向外．在S处有甲、乙、丙、丁四个一价正离子垂直于E和B1入射到速度选择器中，若m甲＝m乙<m丙＝m丁，v甲<v乙＝v丙<v丁，在不计重力的情况下，则打在P1、P2、P3、P4四点的离子分别是()A．甲乙丙丁 B．甲丁乙丙C．丙丁乙甲 D．甲乙丁丙针对训练(2021·盐城市大丰区新丰中学高二期末)如图所示为质谱仪的示意图，在容器A中存在若干种电荷量相同而质量不同的带电粒子，它们可从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，它们的初速度几乎为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．若这些粒子中有两种电荷量均为q、质量分别为m1和m2的粒子(m1＜m2)．(1)分别求出两种粒子进入磁场时的速度v1、v2的大小；(2)求这两种粒子在磁场中运动的轨道半径之比；(3)求两种粒子打到照相底片上的位置间的距离．二、回旋加速器例2(2022·江苏江阴高级中学高二阶段练习)回旋加速器利用磁场和电场使带电粒子做回旋运动，经过多次加速，粒子最终从D形盒边缘引出，成为高能粒子．若D形盒中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.D形盒的半径为R，则下列判断正确的是()①被加速粒子的比荷为eq\f(2π,TB)②被加速粒子获得的最大速度为eq\f(2πR,T)③粒子被加速的次数为eq\f(2πBR2,TU)④粒子获得的最大动能会随着加速电压的变化而变化A．①②B．②③C．③④D．①④例3回旋加速器工作原理示意图如图所示，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，两盒间的狭缝很小，粒子穿过的时间可忽略，它们接在电压为U、频率为f的交流电源上，若A处粒子源产生的质子在加速器中被加速，下列说法正确的是()A．若只增大交流电压U，则质子获得的最大动能增大B．若只增大交流电压U，则质子在回旋加速器中运行时间会变短C．用同一回旋加速器可以同时加速质子(eq\o\al(1,1)H)和氚核(eq\o\al(3,1)H)D．若磁感应强度B增大，交流电频率f必须适当减小才能正常工作1.4质谱仪与回旋加速器班级：姓名：学号：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，则在下列图中能正确反映x2与U之间函数关系的是()2.质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．如图所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量．让氢元素三种同位素的离子流从容器A下方的小孔S无初速度飘入电势差为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．氢的三种同位素最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”．重力不计，则下列判断正确的是()A．进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氕、氘、氚B．进入磁场时动能从大到小排列的顺序是氕、氘、氚C．在磁场中运动时间由大到小排列的顺序是氕、氘、氚D．a、b、c三条“质谱线”依次排列的顺序是氕、氘、氚3.回旋加速器的工作原理如图所示．D形盒半径为R，盒内匀强磁场的磁感应强度为B，设氘核eq\o\al(2,1)H的电荷量为q，质量为m，不考虑相对论效应，下列说法正确的是()A．氘核eq\o\al(2,1)H加速后的最大速度为eq\f(qBR,2m)B．氘核eq\o\al(2,1)H加速后的最大速度与加速电场的电压有关C．氘核eq\o\al(2,1)H第1次和第2次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为1∶2D．加速氘核eq\o\al(2,1)H的回旋加速器可以直接用来加速α粒子eq\o\al(4,2)He4.(2021·南通市高二期末)1932年物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，巧妙地解决了粒子的加速问题．如图所示，加速器的核心部分是两个D形金属盒，两盒相距很近，分别和高频交流电源相连接，两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，现使氦核由加速器的中心附近进入加速器，加速后通过特殊装置被引出．下列说法正确的是()A．粒子运动轨道间的距离由里向外逐渐均匀减小B．若仅增大加速电压，粒子在加速器中运动的总时间将减小C．粒子能够获得的最大动能随加速电压大小的变化而变化D．若减小磁感应强度且同时增大交流电的频率，粒子也能被加速5．(2021·阜阳市颍东区联考)现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定．质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场．若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍．此离子和质子的质量的比值为()A．11B．12C．121D．1446．(2021·合肥市月考)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轴下方的离子源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0～eq\r(3)v0.这束离子经电势差为U＝eq\f(mv02,2q)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2a～3a(a＝eq\f(mv0,qB0))区间水平固定放置一探测板，离子重力不计．(1)求离子束从小孔O射入磁场后打到x轴的区间；(2)调整磁感应强度的大小，可使速度最大的离子恰好打在探测板的最右端，求此时磁感应强度大小B1.7．(2021·苏州市期中)回旋加速器的工作原理如图甲所示，置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间狭缝的间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒子的质量为m，电荷量为＋q，加在狭