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.docxVIP

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物理选必二第一章安培力与洛伦兹力自学探究学案

学习内容：1.4质谱仪与回旋加速器

主备:闲云时间：1月6日班级姓名

教学目标-科学素养

物理观念：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．

科学思维：通过质谱仪和回旋加速器中的学习，体会科学家用基本的物理知识设计出现代高科技仪器的科学思维方法。引导学生开动脑筋，学以致用。

科学探究:引导学生探究电荷的极限加速时间。

科学态度与价值观：通过质谱仪和回旋加速器在实际生活中的应用，体会科学技术对社会发展的促进作用。

自主学习（认真阅读课本，独立思考，相信你一定行﹗）

一、质谱仪

质谱仪主要用于分析同位素、测定其质量、荷质比，如图所示。

1．质谱仪构造：主要构件有离子、加速、偏转

和照相底片．

2．运动过程(如图所示)

(1)质量为m、带电量为q的带电粒子从离子发生器A下方的小

孔S1飘入加速电场，初速度几乎

(2)带电粒子经过电压为U的加速电场加速，从S2孔以速度v飞出。

由动能定理有：_______________v=

(3)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

比荷qm=_____________。如已知q,

4.质谱仪的改进;

①．改进后的质谱仪的结构

主要构件有离子、加速、速度选择器、偏转

和照相底片．

②.工作原理：设加速电压为U，速度选择器内电场强度为E，

磁感应强度为，偏转磁场磁感应强度为，

有，因为v0不一定为0，v不完全相同，

V的计算有误差，只有经过速度选择器速度为的粒子

才被选出进入偏转磁场，这样测得速度v更精确。这样

可得半径r＝.质量m=.比荷q

二、回旋加速器

1．回旋加速器的构造：两个D形盒，两D形盒接交流电源，D形盒处于垂直于D形盒的匀强磁场中，中心附近放置粒子源(如质子、氘核或α粒子源)，如图所示

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：带电粒子经过窄缝区域时被．

(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，从而改变运动方向，半个圆周后再次进入电场．

（3）粒子被加速的条件：

交变电场的周期粒子在磁场中运动的周期．

（4）粒子加速后的最大动能E

由于D形盒的半径R一定，粒子在D形盒中的最

大半径为R，由知

最大速度vm=_____________，所以带电粒子的最大动能

(4)．提高粒子最大动能的措施：

由Ekm=____________

思考：最大动能与加速电压U有关吗？

3．粒子被加速次数的计算：粒子在回旋加速器中被加速的次数n＝

4.粒子在加速器中运动的时间：

设加速电压为U，两盒之间得距离为d,质量为m、带电量为q的粒子共被加速了n次

在磁场中运动的时间t磁

在磁场中运动的时间t

故粒子在回旋加速器中运动的总时间为t=

因为R______d，所以t磁

思考：能否无限制地回旋加速。

由于相对论效应，当带电粒子速率接近光速时，带电粒子的质量将显著增加，从而带电粒子做圆周运动的周期将随带电粒子质量的增加而加长。如果加在D形盒两极的交变电场的周期不变的话，带电粒子由于每次“迟到”一点，就不能保证粒子每次经过窄缝时总被加速。因此，同步条件被破坏，也就不能再提高带电粒子的速率了。

强化练习

如图带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的

狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2，平板S下方有强度为B0的

匀强磁场。下列表述不正确的是（）

A．质谱仪是分析同位素的重要工具

B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外

C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B

D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小

2.质谱仪是用来测定带电粒子的质量和分析同位素的装置，如图所示，电容器两极板相距为d，两板间的电压为U，极板间的匀强磁场的磁感应强度为B1，