质谱仪与回旋加速器课件2026-2027学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

第4节质谱仪与回旋加速器第一章安培力与洛伦兹力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。学习目标目

录CONTENTS知识点01随堂对点自测02课后巩固训练03知识点1知识点二回旋加速器知识点一质谱仪知识点一质谱仪1.构造:主要构件有加速______、偏转______和照相底片。2.工作原理(如图)

电场磁场

【思考】

1.当带电粒子垂直射入匀强电场和匀强磁场时,带电粒子在电场和磁场中的运动有何不同?

提示

(1)带电粒子在匀强电场中,当v0⊥E时,粒子做类平抛运动,用运动的合成与分解或动能定理等知识处理。 (2)带电粒子在匀强磁场中,当v0⊥B时,粒子做匀速圆周运动,利用洛伦兹力提供向心力和圆周运动知识处理。

例1

(2026·四川成都高二期中)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。让氢的三种同位素的离子流从容器A下方的小孔S无初速度进入电势差为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,氢的三种同位素分别为氕(即为质子)、氘(质量约为质子的2倍,电荷量与质子相同)、氚(质量约为质子的3倍,电荷量与质子相同),最后打在照相底片D上,形成a、b、c三条“质谱线”。则下列判断正确的是(

)A.进入磁场时速度从小到大排列的顺序是氕、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小到大排列的顺序是氕、氘、氚D.a、b、c三条“质谱线”依次排列的顺序是氕、氘、氚C

训练1

(多选)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处有一荧光屏。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(

)BCA.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的短D.a、b离子在磁场中的运动时间相等

知识点二回旋加速器1.回旋加速器的构造:两个D形盒,两D形盒接______电源,D形盒处于垂直于D形盒的匀强磁场中,如图所示。接交流电源交流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_________变化的电场。

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______, ______圆周后再次到达两盒间的缝隙电场被加速。 (3)粒子在做圆周运动的过程中一次一次地经过盒缝,而两盒间的电势差一次一次地改变______,粒子的速度就能够增加到很大。周期性加速匀强匀速圆周方向半个正负

3.随着人们对带电粒子所获能量要求的提高,回旋加速器的半径越来越大。那么带电粒子的速度能无限提高吗?

提示

根据爱因斯坦的狭义相对论,可知带电粒子的速度不能无限提高。因为粒子的质量将随速度的增大而增加,绕行周期将变长,而外加交变电场周期不变,故粒子通过盒缝时,静电力并不总是做正功,带电粒子并不总是处于加速状态。因此,通过回旋加速器加速粒子得到的速度是有一定限度的。例2

回旋加速器是用来加速带电粒子使其获得很大动能的仪器,其核心部分是两个D形金属盒,两盒分别和一高频交流电源两极相接,以便在盒内的窄缝中形成匀强电场,使粒子每次穿过窄缝时都能被加速,加速电压大小始终为U,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Rmax。求: (1)所加交流电源频率; (2)粒子离开加速器时的最大动能; (3)粒子被加速次数; (4)若带电粒子在电场中加速的加速度大小恒为a,粒子在电场中加速的总时间。

训练2

(教材P19图1.4－3改编)如图所示为回旋加速器的原理示意图,两个半径为R的半圆形中空金属盒D1、D2置于真空中,两盒间留有一狭缝,在两盒的狭缝处加高频交变电压,两D形盒处于磁感应强度大小为B、方向竖直向下穿过盒面的匀强磁场中,粒子源在A处产生质量为m、电荷量为q的粒子,粒子初速度视为零,在狭缝间被电场加速后在D形盒内做匀速圆周运动,最终从边缘的出口处射出。不考虑相对论效应,忽略粒子重力及在狭缝间运动的时间,则(

)B

训练3

(2024·上海卷,五－2)某回旋加速器的示意图如图所示,两个相同且正对的半圆形中空金属盒D1、D2内分布有垂直金属盒表面的匀强磁场,D1、D2缝隙间的狭窄区域有交变电场。初动能为零的带电粒子从缝隙中靠近D2的圆心O处经电场加速后,以垂直磁场的速度进入D1。B

E解析

(1)粒子在磁场中运动的过程中,洛伦兹力方向始终与速度方向垂直,则粒子由D1向D2运动的过程中洛伦兹力不做功,即W＝0,根据动量定理I＝mΔv可知,洛伦兹力的冲量不等于零,即I≠0,B正确。

随堂对点自测2AC1.(质谱仪)(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,它的构造原理如图所示,离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看作零),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(

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

BD2.(回旋加速器)(多选)如图所示,回旋加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成,其间留有空隙,所加交变电压极性变化时,电压值不变。下列说法正确的是(

)A.所加交变电压的周期等于带电粒子圆周运动周期的一半B.利用回旋加速器加速带电粒子,要提高加速粒子的最终能量,应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径RC.回旋加速器的加速电压越大,带电粒子获得的最大动能越大D.粒子每次经过D形盒狭缝时,静电力对粒子做功一样多

课后巩固训练3D基础对点练题组一

质谱仪1.如图有一混合正离子束先后通过正交电、磁场区域Ⅰ和匀强磁场区域Ⅱ,如果这束正离子流在区域Ⅰ中不偏转,进入区域Ⅱ后偏转半径又相同,则说明这些正离子具有相同的(

)A.动能 B.质量 C.电荷 D.比荷

AC2.(多选)(2026·福建泉州高二期中)如图所示是质谱仪的工作原理示意图。三个带电粒子先后从容器A正下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场,其初速度大小都几乎为零,然后都竖直向下经过加速电场,分别从小孔S2离开,再从小孔S3沿着与磁场垂直的方向竖直向下进入水平向外的匀强磁场中,最后打到照相底片D上的不同位置。整个装置放在真空中,均不计带电粒子的重力和粒子之间的相互作用力。根据图中三个带电粒子在质谱仪中的运动轨迹,下列说法正确的是(

)A.三个带电粒子均带正电荷B.加速电场的电场强度方向竖直向上C.三个带电粒子进入磁场的动能与带电荷量成正比D.三个带电粒子的比荷一定相同

A3.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,则在下列图像中能正确反映x2与U之间函数关系的是(

)

C

BD5.(多选)(2026·广东湛江高二月考)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形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中,如图所示。设D形盒的半径为R,若用回旋加速器加速质子时,匀强磁场的磁感应强度为B,高频交流电频率为f,则下列说法正确的是(

)A.不改变B和f,该回旋加速器也能用于加速α粒子B.质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关C.只要R足够大,质子的速度可以被加速到任意值D.质子被加速后的最大速度不可能超过

2πfR

D6.(2025·湖北武汉高二月考)回旋加速器在科学研究中得到了广泛应用,其原理如图所示。D1和D2是两个中空的半圆形金属盒,置于与盒面垂直的匀强磁场中,它们接在电压为U、周期为T的交流电源上。位于D1的圆心处的质子源A能不断产生质子(初速度可以忽略),它们在两盒之间被电场加速。当质子被加速到最大动能Ek后,再将它们引出。忽略质子在电场中的运动时间,则下列说法中正确的是(

)

AD综合提升练7.(多选)如图所示为某种质谱仪的工作原理示意图。此质谱仪由以下几部分构成:粒子源N,P、Q间的加速电场,静电分析器,磁感应强度为B的有界匀强磁场、方向垂直纸面向外,胶片M。若静电分析器通道中心线的半径为R,通道内的均匀辐射电场在中心线处的电场强度大小为E。由粒子源发出一质量为m、电荷量为q的正离子(初速度为零,重力不计),经加速电场加速后,垂直电场强度方向进入静电分析器,在静电分析器中,离子沿中心线做匀速圆周运动,而后由S点沿着既垂直于静电分析器的左边界,又垂直于磁场的方向射入磁场中,最终打到胶片上的某点。下列说法中正确的是(

)

离子在磁场中的偏转过程,洛伦兹力提供向心力,

培优加强练8.阿斯顿最早设计了质谱仪,并用它发现了氖20(20Ne)和氖22(22Ne),证实了同位素的存在。一种质谱仪的结构可简化为如图所示,半圆柱形通道水平放置,其上下表面内半径均为R、外半径均为3R,该通道内存在方向竖直向上的匀强磁场,正对着通道出口处放置一张照相底片,记录粒子从出口射出时的位置。粒子源释放出的20Ne和22Ne,加速后垂直通过速度选择器的正交电磁场,磁感应强度大小为B0、电场强度大