人教版高中物理选择性必修第2册 第一章 4.质谱仪与回旋加速器.pptVIP

4.质谱仪与回旋加速器第一章

内容索引0102课前篇自主预习课堂篇探究学习

学习目标思维导图1.了解带电粒子在匀强磁场中的偏转及其应用。(科学思维)2.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。(科学思维)

课前篇自主预习

必备知识一、质谱仪1.组成由粒子源容器、加速电场、偏转磁场和底片组成。2.用途质谱仪最初是由汤姆孙的学生阿斯顿设计的。他用质谱仪发现了氖-20和氖-22,证实了同位素的存在。质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。

二、回旋加速器1.为什么要设计多级加速器?有什么缺点?答案由动能定理得:qU=mv2,可见电场电压越高,粒子离开电场后的能量越高。由于技术条件的限制,两极电压不可能无限提高,因此常常采用多级加速的办法。在多级加速器中粒子做直线运动,加速装置要很长很长,占用的空间范围很大,在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。

2.参照教材回旋加速器的原理图,简述回旋加速器的组成。答案两个中空的半圆金属盒、两盒间有电势差U,两个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中。

想一想回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用?对交流电源的周期有什么要求?带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定?提示磁场的作用是使带电粒子回旋,电场的作用是使带电粒子加速。交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期。

自我检测1.判断正误,判断结果为错误的小题请说明原因。(1)利用质谱仪可以测定带电粒子的质量和分析同位素。()解析利用质谱仪可以测定带电粒子的质量和分析同位素。答案√(2)当交变电压的周期等于带电粒子在磁场中运动的周期时,回旋加速器中的粒子才能被加速。()解析粒子被加速后,进入磁场,经过1个半圆的时间,再次进入电场被加速,再次进入磁场,经过1个半圆被加速;即交变电场或交变电压的周期等于带电粒子在磁场中运动的周期。答案√

(3)回旋加速器能把粒子加速到光速。()解析回旋加速器加速的带电粒子,能量达到25~30MeV后,就很难再加速了。按照狭义相对论,粒子的质量随着速度的增加而增大,而质量的变化会导致其回转周期的变化,交变电场的频率不再跟粒子运动频率一致,这样就破坏了加速器的工作条件,进一步提高粒子的速率就不可能了,所以回旋加速器不能把粒子加速到光速。答案×答案√

2.(多选)质谱仪的构造原理如图所示,粒子从粒子源S出来时的速度很小,可以看作初速度为零,粒子经过电场加速后进入有界的垂直纸面向里的匀强磁场区域,并沿着半圆周运动而达到照相底片上的P点,测得P点到入口的距离为x,则以下说法正确的是()A.粒子一定带正电B.粒子一定带负电C.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越大D.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越小

答案AC

课堂篇探究学习

探究一质谱仪情境探究如图为质谱仪原理示意图。设粒子质量为m、电荷量为q,加速电场电压为U,偏转磁场的磁感应强度为B。则粒子进入磁场时的速度是多大?打在底片上的位置到S3的距离多大?

知识归纳1.质谱仪中带电粒子运动分析

2.质谱仪区分同位素

实例引导例1如图所示为质谱仪的原理图。利用这种质谱仪可以对氢元素进行测量。氢元素的各种同位素,从容器A下方的小孔S1进入加速电压为U的加速电场,可以认为从容器出来的粒子初速度为零。粒子被加速后从小孔S2进入磁感应强度为B的匀强磁场,最后打在照相底片D上,形成a、b、c三条质谱线。关于氢的三种同位素进入磁场时速率的排列顺序和三条谱线的排列顺序,下列说法中正确的是()A.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氕、氘、氚B.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氚、氘、氕C.a、b、c三条谱线的排列顺序是氕、氘、氚D.a、b、c三条谱线的排列顺序是氘、氚、氕

答案A

变式训练1(多选)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。速度选择器内相互正交的匀强磁场的磁感应强度和匀强电场的电场强度分别为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下方有磁感应强度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是()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D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的比荷越小

答案ABC

探究二回旋加速器情境探究下图是回旋加速器的原理图,已知D形盒的半径为R,匀强磁场的磁感应强度为B,交流电源的周期为T,若用该回旋加速器来加速质子,设质子的质量为m,电荷量为q,请思考:

(1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用?质子每次经过狭缝时,动能的增加量是多少?(2)对交流电源的周期有什么要求?(3)带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定?

要点提示(1)磁场的作用是使带电粒子回