高二物理（人教版）教学课件 选择性必修二 第一章 第4节　质谱仪与回旋加速器（赋能课 精细培优科学思维）

质谱仪与回旋加速器(赋能课—精细培优科学思维)第4节课标要求学习目标了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。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。1课前预知教材/落实主干基础2课堂精析重难/深度发掘知能3课时跟踪检测CONTENTS目录课前预知教材/落实主干基础

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二、回旋加速器1.多级加速器(1)各加速区的两极板之间用独立电源供电。(2)要获得高能量的粒子,加速器装置要很长。2.回旋加速器(1)构造:如图所示,D1、D2是两个中空的半圆金属盒,D形盒的缝隙处接______电源。D形盒处于匀强磁场中。交流(2)原理:交流电的周期和粒子做圆周运动的周期______,粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙,两盒间的电势差一次一次地改变正负,粒子就会被一次一次地加速。(3)周期:粒子每经过一次加速,其轨道半径就大一些,但粒子做圆周运动的周期_____。交变电场的周期等于粒子在磁场中运动的周期。相等不变1.如图所示是质谱仪示意图,它可以测定单个离子的比荷,图中离子源S产生带电的离子,经电压为U的电场加速后垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中,沿半圆轨道运动到记录它的照相底片P上。判断下列说法的正误。(1)只要带电粒子的电荷量相同,经加速电场加速后的末速度都相同。

()(2)只要带电粒子的质量不同,打在照相底片上的位置就不同。

()(3)利用质谱仪可以测定带电粒子的质量。

()微情境·大道理××√2.质谱仪和回旋加速器的原理是什么?提示:带电粒子在电场中加速,在磁场中做匀速圆周运动。3.一个用于加速质子的回旋加速器,其核心部分如图所示,D形盒半径为R,垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B,两盒分别与交流电源相连。判断下列说法的正误。(1)在回旋加速器中,质子运动一周被加速两次。

()(2)回旋加速器是利用磁场控制轨道,用电场进行加速的。

()(3)加速电压增大时,质子获得的最大速度也增大。

()√√×课堂精析重难/深度发掘知能

强化点(一)质谱仪的原理和应用要点释解明

1.(多选)质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具,它的构造原理如图,离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看作0),经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场,到达记录它的照相底片P上,设离子在P上的位置到进入磁场处的距离为x,可以判断

(

)题点全练清A.若离子束是同位素,则x越大,离子的质量越大B.若离子束是同位素,则x越大,离子的质量越小C.只要x相同,则离子的比荷一定相等D.只要x相同,则离子的质量一定相等√√

劳伦斯设计并研制出了世界上第一台回旋加速器,为进行人工可控核反应提供了强有力的工具,大大促进了原子核、基本粒子的实验研究。(1)在回旋加速器中运动的带电粒子的动能来自电场还是磁场?提示:带电粒子的动能来自电场。任务驱动强化点(二)回旋加速器的原理和应用

1.交变电压的周期为了保证带电粒子每次经过狭缝时都被加速,须在狭缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压,所以交变电压的周期由带电粒子的比荷和磁场的磁感应强度决定。要点释解明

[典例]

(2024·湖北统考期末)(多选)如图为回旋加速器的示意图,两个靠得很近的D形金属盒处在与盒面垂直的匀强磁场中,磁场的磁感应强度为B。一质子从加速器的A处开始加速,已知D形盒的半径为R,高频交变电源的电压为U、频率为f,质子质量为m、电荷量为q,不计粒子在电场中运动的时间。下列说法正确的是

(

)

√√

1.(2023·广东高考)某小型医用回旋加速器,最大回旋半径为0.5m,磁感应强度大小为1.12T,质子加速后获得的最大动能为1.5×107eV。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,1eV=1.6×10-19J)

(

)A.3.6×106m/s

B.1.2×107m/sC.5.4×107m/s D.2.4×108m/s题点全练清√

2.如图所示为回旋加速器的工作原理示意图,D形金属盒置于真空中,半径为R,两金属盒间的狭缝很小,磁感应强度大小为B的匀强磁场与金属盒盒面垂直,高频交流电的频率为f,加速电压为U,若中心粒子源处产生的初速度为0的质子(质量为m,电荷量为+e)在加速器中被加速。不考虑相对论效应,则下列说法正确的是

(

)A.质子获得的最大动能随加速电压U的增大而增大B.不改变磁感应强度B和交流电的频率f,该加速器一定可加速其他带正电荷的粒子C.质子加速后的最大速度不能超过2πRfD.质子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√

课时跟踪检测12345678910A级——基础达标1.(2024·绍兴高二质检)如图所示为质谱仪的示意图。电荷量和质量不同的离子从电离室A中“飘”出,从缝S1进入电势差恒定的加速电场中加速,然后从S3垂直进入匀强磁场B中做匀速圆周运动,最后打在照相底片上。已知质子从静止开始被加速电场加速,经磁场偏转后打在底片上的P点,某二价正离子从静止开始经相同的电场加速和磁场偏转后,打在底片上的Q点,已知QS3=12PS3,则离子质量和质子质量之比为(

)678910

12345√156789102.(多选)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源两极相连接的两个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形金属盒处在垂直于盒底面的匀强磁场中,如图所示,要增大带电粒子射出时的动能,粒子重力不计,下列说法正确的是

(

)A.增大交流电源的电压

B.增大磁感应强度C.减小狭缝间的距离 D.增大D形盒的半径234√√15678910

234156789103.(2024·山东济南期末)(多选)利用质谱仪可以分析碘的各种同位素。如图所示,电荷量相同的带正电的131I与127I从容器A下方的小孔S1进入加速电场(初速度不计),经电场加速后从小孔S2射出,进入垂直纸面的匀强磁场中,最后打在照相底片D上。下列说法正确的是

(

)A.磁场的方向垂直纸面向里B.打在b处的是127IC.127I在磁场中运动速度更大D.131I在磁场中运动时间更长234√√15678910

234156789104.如图甲所示是用来加速带电粒子的回旋加速器的示意图,其核心部分是两个D形金属盒,在加速带电粒子时,两金属盒置于匀强磁场中,两盒分别与高频电源两极相连。带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t的变化规律如图乙所示,忽略带电粒子在电场中的加速时间,则下列判断正确的是

(

)23415678910A.在Ek-t图像中应有t4-t3<t3-t2<t2-t1B.加速电压越大,粒子最后获得的动能就越大C.粒子加速次数越多,粒子最大动能一定越大D.要想粒子获得的最大动能增大,可增加D形盒的半径234√15678910

23415678910

23415678910

234√15678910

234156789106.(2024·天津宁河区期末)(多选)劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器,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.离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B.离子从磁场中获得能量C.增大D形盒的半径,其余条件不变,离子离开磁场的动能将增大D.增大加速电场的电压,其余条件不变,离子在D形盒中运动的时间变短234√√15678910

23415678910

234156789107.如图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。速度选择器内互相垂直的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。挡板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2。挡板S下方有强度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是

(

)23415678910

234√15678910

234156789108.(2023·福建高考)阿斯顿(F.Aston)借助自己发明的质谱仪发现了氖等元素的同位素而获得诺贝尔奖,质谱仪分析同位素简化的工作原理如图所示。在PP'上方存在一垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为B。两个氖离子在O处以相同速度v垂直磁场边界入射,在磁场中发生偏转,分别落在M和N处。已知某次实验中,v=9.6×104m/s,B=0.1T,落在M处氖离子比荷(电荷量和质量之比)为4.8×106C/kg;P、O、M、N、P'在同一直线上;离子重力不计。23415678910

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23415678910B级——综合应用9.如图所示为一种改进后的回旋加速器示意图,其中盒缝间的加速电场的电场强度大小恒定,且被限制在A、C板间,带电粒子从P0处由静止释放,并沿电场线方向射入加速电场,经加速后再进入D形盒中的匀强磁场中做匀速圆周运动。对于这种改进后的回旋加速器,下列说法正确的是(

)23415678910A.带电粒子每运动半个周期被加速一次B.P1P2=P2P3