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人教版(2019)高一物理第一学期选修第二册第一章 4. 质谱仪与回旋加速器C

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1.4 质谱仪与回旋加速器(教学课件)高中物理人教版(2019)选择性必修第二册

1.4 质谱仪与回旋加速器(教学课件)高中物理人教版(2019)选择性必修第二册
设粒子到达 O 点时速度大小为 v,由运动的合成有
v= 0 2 + 2 ⑦
联立④⑦式得 v= 2v0。 ⑧
(2)设电场强度为E,粒子电荷量为q,质量为m,粒子在电场中受到的电场力
为F,由牛顿第二定律可得
F=ma ⑨
又F=qE ⑩
设磁场的磁感应强度大小为B,粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为r,
场垂直的方向进入匀强磁场,在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,最后打到
照相底片D上。
1 2
2
(1)由动能定理知 qU= mv ,粒子进入磁场时的速度大小为 v=
。
2

1 2
(2)带电粒子在磁场中运动的轨道半径为 r=
,所以打在底片上的位置


2 2
到 S3 的距离为
。


【典型例题】
例题1 质谱仪是一种测定带电粒子质量或分析同位素的重要设备,它的
C.只要R足够大,质子的速度可以被加速到任意值
D.不改变B和f,该回旋加速器也能用于加速α粒子
答案:AB
2

解析:由 evB=m 可得回旋加速器加速质子的最大速度为 v=
。由回旋加



速器高频交变电流频率等于质子运动的频率,有 f=
,联立解得质子被加
2π

速后的最大速度不可能超过 2πfR= ,选项 A、B 正确;考虑到狭义相对论,
一带电微粒沿着直线从M运动到N,以下说法正确的是(
A.带电微粒可能带负电
B.运动过程中带电微粒的动能保持不变
C.运动过程中带电微粒的电势能增加
D.运动过程中带电微粒的机械能守恒
答案:B
)
变式
训练已知质量为m的带电液滴,以速度v射入互相垂直的匀强电场E和匀强

4 质谱仪与回旋加速器-人教版高中物理选择性必修 第二册(2019版)教案

4 质谱仪与回旋加速器-人教版高中物理选择性必修 第二册(2019版)教案

4 质谱仪与回旋加速器-人教版高中物理选择性必修第二册（2019版）教案一、教学目标1.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。

2.掌握质谱仪和回旋加速器的基本结构。

3.了解质谱仪和回旋加速器的应用。

4.能够根据质谱仪和回旋加速器的原理和结构分析实际问题。

二、教学内容1.质谱仪（1）工作原理质谱仪利用物质中带电粒子的质量和电荷比（m/q）在电磁场中运动的特点，将分子或原子进行分离和测量。

其主要由四个部分组成：样品输入系统、离子源、质能分析系统和检测系统。

（2）基本结构样品输入系统负责将待分析的物质引入离子源。

离子源将物质转化为离子；质能分析系统负责根据粒子的$\\mathrm{m}/\\mathrm{q}$比对粒子进行分离和分析；检测系统利用电子倍增管等方法将分离的离子信号转化为电信号输出。

（3）应用质谱仪广泛应用于生化分析、气相色谱、食品质量控制、环境污染检测等领域。

2.回旋加速器（1）工作原理回旋加速器利用电场和磁场的作用，在加速器内部将带电粒子加速到高速，然后通过磁场的弯曲使带电粒子在加速器内部形成一条环形轨道。

加速器不断给带电粒子加速，使粒子的质量不断增加，直到粒子达到一定的速度后，可以用来进行核反应等实验。

（2）基本结构回旋加速器主要由电子枪、加速环、磁铁和减速器等部分组成。

其中，电子枪负责产生电子束；加速环负责加速带电粒子；磁铁负责弯曲带电粒子的轨迹，形成环形轨道；减速器负责将带电粒子放缓。

（3）应用回旋加速器主要用于核物理、粒子物理等领域的研究和应用。

它可以产生高能粒子束，进行核物理实验研究，也可以用于放射性同位素的制备、医学应用等方面。

三、教学方法1.讲解结合练习，在讲解原理的同时，引导学生进行思考和分析。

2.运用多媒体技术，通过图片、动画等形式向学生展现相应的实验现象。

3.组织学生进行实验探究，促进学生对理论知识的理解和应用。

四、教学手段1.多媒体教学课件。

2.实验室及相应的实验设备。

人教版高中物理选择性必修第2册 第一章 安培力与洛伦兹力 第4节 质谱仪与回旋加速器

人教版高中物理选择性必修第2册 第一章 安培力与洛伦兹力 第4节 质谱仪与回旋加速器

别与高频交流电源相连接的两个 D 形金属盒，两盒间的狭缝
中形成的周期性变化的电场，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面的匀强磁场中，如图所示，要增大
带电粒子射出时的动能，下列说法中正确的是
()
A．增大匀强电场间的加速电压
B．增大磁场的磁感应强度
C．减小狭缝间的距离
D．增大 D 形金属盒的半径
()
A．11
B．12
C．121
D．144
解析：设加速电压为 U，质子做匀速圆周运动的半径为 r，原来磁场的磁感应 强度为 B，质子质量为 m，一价正离子质量为 M。质子在入口处从静止开始 加速，由动能定理得，eU＝12mv21，质子在匀强磁场中做匀速圆周运动，由洛 伦兹力提供向心力得，ev1B＝mvr21；一价正离子在入口处从静止开始加速，由 动能定理得，eU＝12Mv22，该正离子在磁感应强度为 12B 的匀强磁场中做匀速 圆周运动，轨迹半径仍为 r，由洛伦兹力提供向心力得，ev2·12B＝Mvr22；联立 解得Mm＝144，选项 D 正确。
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，测得它在 P 上位置与 A 处水平距离
为 d，则该离子的质量 m 大小为
qB2d2 A. 8U
qB2d2 B. 4U
qB2d2 C. 2U
qB2d2 D. U
()
解析：粒子经过加速电场过程由动能定理得 qU＝12mv2。在匀强磁场中粒子做 圆周运动的半径为d2，由 qvB＝mdv2，则有d2＝mBqv。联立以上两式解得 m＝qB8U2d2，
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，两盒间的窄缝中形成匀强电场，使带

人教版高中物理选择性必修第2册 第1章 4 质谱仪与回旋加速器

人教版高中物理选择性必修第2册 第1章 4 质谱仪与回旋加速器

核心素养微专题
课堂小练|素养达标
课后提升练习
物理 选择性必修 第二册 配人教版
质谱仪的结构与原理
第一章 安培力与洛伦兹力
如图所示是质谱仪示意图，它可以测定单个离子的质量，图中离子 源S产生带电荷量为q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，测得它在P上位置与A处水 平距离为d，则该离子的质量m大小为多少？
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第一章 安培力与洛伦兹力
【答案】离子经过加速电场过程中由动能定理得qU＝
1 2
mv2.在匀强
磁场中离子做圆周运动的半径为
d2，由qvB＝
mv2 d
，则有
d2＝
mv Bq
.联立以上
2

两式解得m＝qB8U2d2.
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第一章 安培力与洛伦兹力
3．分析：如图所示，根据带电粒子在磁场中做圆周运动的 ___半__径___大小，就可以判断带电粒子比荷的大小，如果测出半径且已知 电荷量，就可求出带电粒子的___质__量___．
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第一章 安培力与洛伦兹力
【解析】由粒子在磁场中的偏转情况可判断粒子带正电，A错误； 速度选择器中粒子受力平衡，可知粒子受到的电场力向下，P1极板带正 电，B正确；在B2磁场中粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，可知 半径r＝mqBv，半径越大，比荷越小，C错误，D正确．

1.4 质谱仪与回旋加速器(教学课件)高中物理人教版(2019)选择性必修第二册

1.4 质谱仪与回旋加速器(教学课件)高中物理人教版(2019)选择性必修第二册
1、回旋加速器的构造：
①粒子源； ②两个D形盒； ③匀强磁场； ④高频电源； ⑤粒子引出装置。
说明：两D形盒中有匀强磁场无电场，盒间缝隙有电场
2、回旋加速器的工作原理
利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来 获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件 —— 两个 D 形盒和其间的窄缝内完成。
A．11 C．121
B．12 D．144
在粒子物理学的研究中，经常需要用高能量的粒子作为 “炮弹”去轰击未知原子，以便“打开”其内部结构。那如何 才能获得需要的高能粒子呢？
能不能设计一种能实现多次加速，又减少占地空间的 加速器呢？
电场 →加速 磁场 →偏转
获得高能粒子
~
二、回旋加速器
二、回旋加速器
2mU
Bq
m qB x qB2x2 2v 8同位素电荷量相同，但质量有微小差别。那x就会不同，也就 是说在照相底片上会打到不同的位置。
例1、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比约为( D )
vm2 R
vm
qBR m
（vm与B、R有关，而与加速电压U无关）
Ekm
1 2
mv
2 m
q2B2R2 2m
这个过程看似可以一直进行下去，但实际上由于相对论的效应，粒 子的质量会随着速度增大而增大，圆周运动的周期也增加大，这样电场 与运动不再同步，也就没办法加速了。
例2、(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形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如 图所示．设D形盒半径为R，若用回旋加速器加速质子时，匀强磁场的磁感应强度

1.4质谱仪与回旋加速器(课件)高二物理(人教版2019选择性必修第二册)

1.4质谱仪与回旋加速器(课件)高二物理(人教版2019选择性必修第二册)
原子核被强大的核力约束，只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，
才能把它“打开”。如何获得高速粒子？
(2)如何解决技术上不能产生过高的电压的难题？
?
3.如何解决加速设备很长这一难题？
01
1.构造：两半圆金属盒D1、D2 ，D形盒的缝隙处接交流电源。D形盒处于
匀强磁场中。
02
(1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？
知 粒子获得的最大动能较大，氚核
m
2
2m
获得的最大动能较小。B 正确。故选 B。
-
2 2 2
1
q
B
R
2
粒子获得的最大速度：E mv
km
m
2
2m
v1
02
(5)带电粒子在回旋加速器磁场中运动时间是多少？
粒子一个周期内被加速两次
v2
N
BR
粒子在磁场中运动的时间：t
T
2
2U
-
+
qB
R
粒子加速次数： N
2mU
+
2
-
2
Hale Waihona Puke v32v4
vm
v1
03
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
被加速，根据周期公式T
2 m
3
4
结合氚核 ( 1 H ) 和 粒子 ( 2 He) ，可知，加速氚核的交流电源
Bq
v2
的周期较大，而在回旋加速器工作时，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，由 qvB m
r
qBr
1 2 q2 B2r 2
得v
带电粒子射出时的动能 Ek mv

人教版(2019)高一物理第一学期选修第二册第一章 4. 质谱仪与回旋加速器A (1)

人教版(2019)高一物理第一学期选修第二册第一章 4. 质谱仪与回旋加速器A (1)

2020-2021学年高一第一学期物理人教版2019选修第二册第一章 4. 质谱仪与回旋加速器A1.如图是质谱仪的工作原理示意图，它是分析同位素的一种仪器，其工作原理是带电粒子(不计重力)经同一电场加速后，垂直进入同一匀强磁场做圆周运动，挡板D上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A A。

若( )12A.只增大粒子的质量，则粒子经过狭缝P的速度变大B.只增大加速电压U，则粒子经过狭缝P的速度变大C.只增大粒子的比荷，则粒子在磁场中的轨道半径变大D.只增大磁感应强度，则粒子在磁场中的轨道半径变大2.如图是电子感应加速器内部结构原理简图:电子感应加速器主要由上、下电磁铁磁极和环形真空室组成。

当电磁铁绕组通以变化的电流时，产生变化的磁场，穿过真空盒所包围的区域内的磁通量也随时间变化，这时真空盒空间内就感应出涡旋电场，电子将在涡旋电场作用下得到加速。

（图中：上图为侧视图、下图为真空室的俯视图），电子被“约束”在半径为R 的圆周上运动若电磁铁绕组通有正弦式交变电流i，下列说法中正确的是( )A.电子做圆周运动的周期与交变电流的变化周期相同B.涡旋电场的方向保持逆时针方向不变C.在交变电流变化的任何时段，电子都将被加速D.在交变电流按图示方向增大的过程中，电子做逆时针方向的加速运动 3.1930年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12D D 、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.增大加速电场的电压，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 型盒中运动的时间变短 4.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电源的两极相连接的两个D 形金属盒,两盒间的狭缝中有周期性变化的电场,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。

人教版高中物理选择性必修第2册 第一章 安培力与洛伦兹力 1 4 质谱仪与回旋加速器

人教版高中物理选择性必修第2册 第一章 安培力与洛伦兹力 1 4 质谱仪与回旋加速器

问题
1.直线加速器中如何使粒子获得加速? 提示:利用加速电场对带电粒子做正功,使带电粒子的动能增加,即qU=ΔEk。 2.直线加速器的弊端是什么?
提示:直线加速器占有的空间范围大,在有限的空间内制造直线加速器受到一定的 限制。
3.为维持带电粒子在环状空腔中的匀速圆周运动,对于给定的加速电压,带电粒子
2U
荷
q m
=
2U B22r 2
。
b.对质量有微小差别的同位素,因q相同、m不同,也可区别、分离出来。在底片上
形成的若干谱线状的细条,称为质谱线。
2|回旋加速器
情境 北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一,是我国第一台高能 加速器,也是高能物理研究的重大科技基础设施。它由长202米的直线加速器、输 运线、周长240米的圆形加速器(也称储存环)、高6米重500吨的北京谱仪和围绕 储存环的同步辐射实验装置等几部分组成,外形像一只硕大的羽毛球拍。如图所 示,正、负离子由静止经过电压为U的直线加速器加速后,沿圆环切线方向注入对 撞机的真空环状空腔内,空腔内存在着与圆环平面垂直的匀强磁场,磁感应强度大 小为B。两种带电粒子将被局限在环状空腔内,沿相反方向做半径相等的匀速圆周 运动,从而在碰撞区迎面相撞。
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=
Ekm Uq
(U是加速电压的大小),一个周期加速两
次。
粒子在回旋加速器中运动的时间
在电场中运动的时间为t1=
2nd 2 Uq
m
(d为金属盒间距),在磁场中运动的时间为t2=
n 2
T=
nπm qB
,总时间为t=t1+t2,因为t1≪t2,一般认为在盒内的时间近似等于t2。

1-4质谱仪与回旋加速器 (教学课件)——高中物理人教版(2019)选择性必修第二册

1-4质谱仪与回旋加速器 (教学课件)——高中物理人教版(2019)选择性必修第二册

谢谢
B．减小狭缝间的距离 D．增大金属盒的半径
课堂训练
4．如图所示为一种获得高能粒子的装置。环形区域内存在垂直 纸面向外、大小可调节的均匀磁场，质量为m、电荷量为+q的粒 子在环中做半径为R的圆周运动。A、B为两块中心开有小孔的极 板，原来电势都为零，每当粒子顺时针飞经A板时，A板电势升高 为U，B板电势仍保持为零，粒子在两板间电场中得到加速，每当 粒子离开B板时，A板电势又降为零。粒子在电场的一次次加速下 动能不断增大，而粒子绕行半径不变。以下说法正确的是（ ）
新知探究
知识点 2
回旋加速器
新知探究
知识点 2
回旋加速器
A．在Ek～t图像中应有t4－t3<t3－t2<t2－t1 B．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形盒的面积
易错分析：错解1：误认为随着粒子的速率越来越大，粒子回旋的周期越来 越小，错选A；错解2：误认为粒子获得的最大动能与加速电压有关，错选B； 错解3：误认为粒子加速次数越多，粒子获得的动能越大，错选C。
2．原理
(1)加速电场加速：根据动能定理：__q__U______＝12mv2 (2)匀强磁场偏转：洛伦兹力提供向心力：__q_v_B______＝mrv2
1 2mU (3)结论：r＝_____B_____q______，测出半径 r，可以算出粒子的比荷mq 或算出 它的质量。
新知探究
知识点 2
构造图
新知探究
知识点 2
回旋加速器
解析：根据牛顿第二定律，由洛伦兹力提供向心力，则有：qvB＝mvR2，解 得：v＝qBmR，则动能为：EK＝12mv2＝q22Bm2R2，知动能与加速的电压无关，与狭 缝间的距离无关，与磁感应强度大小和 D 形盒的半径有关，增大磁感应强度和 D 形盒的半径，可以增加粒子的动能，故 D 正确，ABC 错误。

高中物理人教版2019选修二习题答案第1章安培力与洛伦兹力4质谱仪与回旋加速器

高中物理人教版2019选修二习题答案第1章安培力与洛伦兹力4质谱仪与回旋加速器

4质谱仪与回旋加速器必备知识基础练1.如图所示，回旋加速器是加速带电粒子的装置，其主体部分是两个D形金属盒。

两金属盒处在垂直于盒面的匀强磁场中，a、b分别与高频交流电源两极相连接，下列说法正确的是()A.粒子从磁场中获得能量B.带电粒子的运动周期是变化的C.粒子由加速器的中心附近进入加速器D.增大金属盒的半径，粒子射出时的最大动能不变2.如图所示，一个静止的质量为m、电荷量为q的粒子(重力忽略不计)，经加速电压U 加速后，由O点垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，粒子打到P点，若OP=x，则()A.x与U成正比B.x与U成反比C.x与√U成正比D.x与√U成反比3.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产生一个质量为m、电荷量为q的正离子，离子产生出来时的速度很小，可以看作静止的，离子产生出来后经过电压U加速，进入磁感应强度为B的匀强磁场，沿着半圆运动而达到照相底片P上，测得它在P上的位置到入口处S1的距离为x，则下列说法正确的是()A.若某离子经上述装置后，测得它在P上的位置到入口处S1的距离大于x，则说明离子的质量一定变大B.若某离子经上述装置后，测得它在P上的位置到入口处S1的距离大于x，则说明加速电压U一定变大C.若某离子经上述装置后，测得它在P上的位置到入口处S1的距离大于x，则说明磁感应强度B一定变大D.若某离子经上述装置后，测得它在P上的位置到入口处S1的距离大于x，则说明离子所带电荷量q可能变小4.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比约为()A.11B.12C.121D.1445.有一回旋加速器，它的高频电源的频率为1.2×107Hz，D形盒的半径为0.532m，求加速氘核时所需的磁感应强度为多大?氘核所能达到的最大动能为多少?(氘核的质量为3.3×10-27kg，氘核的电荷量为1.6×10-19C)关键能力提升练6.质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d，c为偏转分离器，磁感应强度为B2。

物理人教版(2019)选择性必修第二册1.4质谱仪与回旋加速器(共17张ppt)

物理人教版(2019)选择性必修第二册1.4质谱仪与回旋加速器(共17张ppt)

2πm

qB
一个周期内，粒子加速 次
二、回旋加速器
1.构造：
2.原理：
（3）最大动能：
若D形盒半径为R
2
vm
Bv m q m
R
BqR
vm
m
1 2 q2B2R2
Ekm mv m
2
2m
对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能由磁感应强
度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关。
MN为边界、方向垂直纸面向外、磁感应强度大小为B2的匀强磁场。一电荷量为q、
质量为m的带正电的粒子从静止开始经过加速电场后，进入速度选择器，并能沿直
线穿过速度选择器，从A点垂直MN进入偏转磁场。带电粒子经偏转磁场后，最终到
达照相底片的C点。已知速度选择器中的电场方向水平向右、电场强度大小为E，A点
到C点的距离为x，
2 m
T
qB
回旋加速器不可无限加速。
实际上，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
3.某小型医用回旋加速器，最大回旋半径为0.5 m，磁感应强度大小为
1.12 T，质子加速后获得的最大动能为1.5×107 eV。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（
二、回旋加速器
1.构造：
2.原理：
（4）加速次数：
1
2
nUq mvm
2
（5）运动时间：
加速时间：
vm
vm
mdvm
t加


Uq
a
Uq
md
回旋时间：
T nm
t回 n
2

物理人教版(2019)选择性必修第二册1.4质谱仪与回旋加速器(共17张ppt)

物理人教版(2019)选择性必修第二册1.4质谱仪与回旋加速器(共17张ppt)
人教版（2019）选修 第二册
1.4 质谱仪与回旋加速器
学习目标
1.了解质谱仪和回旋加速器的结构及工作原理；
2.经历质谱仪工作原理的推理过程，体会逻辑推理的思维方法；
了解回旋加速器面临的技术难题，体会科学与技术之间的相互影响。
新课引入
导入新课
在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知
速运动，加速n次后的速度为vn，在磁感应强度为B的磁场中做半径为rn的匀
速圆周运动，则有
nqU
1 2
mvn
2 2
qνn B m
n
rn
2 得 rn
由1、
1
2
1
B
2mnU
q
结论: 在加速电压和磁感应强度不变时，轨道半径的大小决定了加速的次数；
对于确定的D形盒，加速次数与加速电压成反比。
道其中所含物质的成分。利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷
量相同、质量不同的带电粒子吗？
一、质谱仪
1.结构： 粒子容器A、加速电场、偏转磁场、照相底片
2.原理
⑴电场加速
1
2 qU
由 qU mv 2 可得 v
1
m
2
⑵磁场偏转
由 Bqν m
2
r
2 得 r
由1、
qr 2 B 2
m
2U
练习
质谱仪原理如图，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场
正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质
量为m、电荷量为＋q的正电子（不计重力），经加速后，该粒子恰能通过速度选择
器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动。求：

高中物理人教版(2019)选择性必修第二册 1 4质谱仪与回旋加速器 课前导学案(含答案)

高中物理人教版(2019)选择性必修第二册 1 4质谱仪与回旋加速器 课前导学案(含答案)

1.4质谱仪与回旋加速器 课前导学案（含答案）基础知识导学一、质谱仪1.定义：质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。

2.构造：①带电粒子发射器；①加速电场(U ）；①速度选择器(E B 、1)；① 偏转磁场(2B )；①照相底片。

（点拨：进入右侧磁场中的粒子速度相同，电性相同。

）3.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1B ，偏转磁场磁感应强度为2B ，有2022121mv mv qU -=，v 不全相同，只有1B E v =的粒子才被选出进入偏转磁场，根据牛顿第二定律得关系式rv m qvB 22=，由上述式子可得出需要研究的物理量，如粒子轨道半径、粒子质量、比荷，rB B E m q E r B qB m B qB mE r 212121,,===。

二、回旋加速器1.构造：回旋加速器的核心部件是两个D 形扁金属盒，整个装置放在真空容器中，如图所示。

（1）两个D 形盒之间留有一个窄缝，在A 处放有粒子源。

（2）两个D 形盒分别接在高频交流电源的两极上，在两盒间的窄缝中形成一个方向周期性变化的交变电场。

2.原理：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动的带电粒子的偏转作用来获得高能粒子。

（1）磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直于磁场方向进人匀强磁场时，只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其中周期与速度和半径无关，使带电粒子每次进入D 形盒中都能运动相等时间(半个周期)后，平行于电场方向进入电场中加速。

（2）交流电压：为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使其能量不断提高，要在狭缝处加一个周期与qBm T π2=相同的交流电压。

重难扩展问题1.质谱仪是测量带电粒子的______和分析同位素的重要工具。

2.回旋加速器原理：利用电场对带电粒子的______作用和磁场对运动的带电粒子的______作用来获得高能粒子。

3.为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使其能量不断提高，要在狭缝处加一个周期与______相同的交流电压。

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2020-2021学年高一第一学期物理人教版2019选修第二册第一章 4. 质谱仪与回旋加速器C1.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的勻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.加速的粒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.质子被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2:12.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,两盒间的狭缝中存在周期性变化的电场,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,要增大带电粒子射出时的动能,则下列说法中正确的是( )A.减小磁场的磁感应强度B.增大匀强电场间的加速电压C.增大D形金属盒的半径D.减小狭缝间的距离3.质谱仪是测带电粒子质量和分析同位素的一种仪器,它的工作原理是带电粒子(不计重力)经同一电场加速后,垂直进入同一匀强磁场做圆周运动,然后利用相关规律计算出带电粒子质量。

其工作原理如图所示。

虚线为某粒子运动轨迹,由图可知( )A.此粒子带负电B.下极板S2比上极板S1电势高C.若只减小加速电压U,则半径r变大D.若只减小入射粒子的质量,则半径r变小4.1930年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.离子从电场中获得能量B.离子由加速器的边缘进入加速器C.加速电场的周期随粒子速度增大而增大D.离子从D形盒射出时的动能与加速电场的电压有关5.回旋加速器在现代医药中有广泛的应用,应用质子回旋加速器可以生产各种放射性同位素。

下图是一种质子回旋加速器的示意图,磁感应强度为B 的匀强磁场垂直于D 形盒的底面,高频正弦交流电的电源分别与两D 形盒连接,质子的质量为m,电量为e,则下列说法正确的是( )A.质子在磁场中转动的半径越大,做圆周运动的周期越大B.正弦交流电压的最大值越大,质子被加速后获得的动能越大C.正弦交流电的周期应为πmeBD.正弦交流电压的最大值越大,质子在D 形盒中运动的时间越短6.质谱仪又称质谱计,是分离和检测不同同位素的仪器.工作原理如图所示,电荷量均为+q 、质量不同的离子初速度几乎为零地进入电压为U 0的加速电场。

这些离子经加速后通过狭缝O 沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度大小为B 的匀强磁场中,最后打在底片上。

已知放置底片的区域MN 长度为L,且OM=L. 某次测量发现MN 中左侧2/3区域MQ 损坏,检测不到离子,但右侧1/3区域QN 仍能正常检测到离子。

在适当调节加速电压后,原本打在MQ 的离子即可在QN 检测到。

为使原本打在MN 点P 的离子能打在QN 区域,则加速电压U 的值不可能为( )A. 0169U B. 010081UC. 014081U D. 02U7.回旋加速器是利用较低电压的高频电源,使粒子经多次加速获得巨大速度的一种仪器,其工作原理如图所示,下列说法中正确的是( )A.粒子做匀速圆周运动,每加速一次半径变大B.粒子由0A 运动到1A 比粒子由2A 运动到3A 所用时间少C.粒子的轨道半径与它的速率无关D.粒子的运动周期和运动速率成正比8.质谱仪是一种测定带电粒子质量或分析同位素的重要设备,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(速度可视为零),经MN 间的电压U 加速后从小孔S 1垂直于磁感线进入匀强磁场,运转半周后到达照相底片上的P 点.设P 到S 1的距离为x,则( )A.若离子束是同位素,则x 越大对应的离子质量越小B.若离子束是同位素,则x 越大对应的离子质量越大C.只要x 相同,对应的离子质量一定相同D.只要x 相同,对应的离子电荷量一定相同9.如图是质谱仪的工作原理示意图.粒子源(在加速电场上方,未画出)产生的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.下列表述正确的是( )A.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里B.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于B/EC.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的比荷(q/m)越大D.粒子所带电荷量相同时,打在胶片上的位置越靠近狭缝P,表明其质量越大10.1922年英国物理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。

若速度相同的一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示,则下列说法正确的是( )A.该束带电粒子带负电B.速度选择器的P1极板带正电C.在B2磁场中运动半径越大的粒子,质量越大D.在B2磁场中运动半径越大的粒子,比荷q/m越大11.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形金属盒处于垂直盒底的匀强磁场中,如图所示,要增大带电粒子射出时的动能,则下列说法正确的是( )A.增大电场的加速电压B.增大D形金属盒的半径C.减小狭缝间的距离D.减小磁场的磁感应强度12.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。

下列表述错误的是( )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EB越小D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的比荷qm13.1922年英国物理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。

若速度相同的一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示,则下列说法正确的是( )A.该束带电粒子带负电B.速度选择器的P1极板带正电C.在B2磁场中运动半径越大的粒子,质量越大D.在B2磁场中运动半径越大的粒子,比荷q/m越大14.用如图所示的回旋加速器来加速质子,为了使质子获得的速度增加为原来的2倍,可采用下列哪种方法( )A.将磁感应强度减小,变为原来的1/2B.将两D形金属盒间的加速电压增大为原来的4倍C.将D形金属盒的半径增大为原来的2倍D.将两D形金属盒间加速电压的频率增大为原来的2倍15.回旋加速器是用来加速带电粒子的装置,如图所示.它的核心部分是两个D形金属盒,两盒相距很近,接高频交流电源,两盒间的窄缝中形成匀强电场,两盒放在匀强磁场中,磁场方向垂直于盒底面.带电粒子在磁场中做圆周运动,通过两盒间的窄缝时反复被加速,直到达到最大圆周半径时通过特殊装置被引出.如果用同一回旋加速器分别加速氚核(31H)和α粒子(42He),比较它们所需加的高频交流电源的周期和获得的最大动能的大小,有( )A.加速氚核的交流电源的周期较小,氚核获得的最大动能较大B.加速氚核的交流电源的周期较大,氚核获得的最大动能也较大C.加速氚核的交流电源的周期较小,氚核获得的最大动能也较小D.加速氚核的交流电源的周期较大,氚核获得的最大动能较小16.1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，巧妙地利用带电粒子在磁场中运动特点，解决了粒子的加速问题。

现在回旋加速器被广泛应用于科学研究和医学设备中。

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，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计。

磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，加速器接一定频率的高频交流电源，保证粒子每次经过电场都被加速，加速电压为U.D形金属盒中心粒子源产生的粒子，初速度不计，在加速器中被加速，加速过程中不考虑相对论效应和重力作用.（1）求把质量为m 、电荷量为q 的静止粒子加速到最大动能所需时间； （2）若此回旋加速器原来加速质量为2m ，带电荷量为q 的a 粒子42He （），获得的最大动能为km E ，现改为加速氘核21H （），它获得的最大动能为多少？要想使氘核获得与α粒子相同的动能，请你通过分析，提出一种简单可行的办法;（3）已知两D 形盒间的交变电压如图乙所示，设α粒子在此回旋加速器中运行的周期为T ，若存在种带电荷量为'q 、质量为'm 的粒子201100X ，在4Tt =时进入加速电场该粒子在加速器中能获得的最大动能？（在此过程中，粒子未飞出D 形盒）.17.一台质谱仪的工作原理如图所示.大量的甲、乙两种离子飘入电压力为0U 的加速电场,其初速度几乎为0,经过加速后,通过宽为L 的狭缝MN 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,最后打到照相底片上。

已知甲、乙两种离子的电荷量均为+q,质量分别为2m 和m,图中虚线为经过狭缝左、右边界M 、N 的甲种离子的运动轨迹.不考虑离子间的相互作用.1.求甲种离子打在底片上的位置到N 点的最小距离x;2.在答题卡的图中用斜线标出磁场中甲种离子经过的区域,并求该区域最窄处的宽度d;3.若考虑加速电压有波动,在()0U U -∆到()0U U +∆之间变化,要使甲、乙两种离子在底片上没有重叠,求狭缝宽度L 满足的条件.18.如图所示为质谱仪的示意图，两极板间加有电压U ，让比荷为k 的带正电的粒子从正极板的附近由静止释放，粒子经电场加速后从M 点垂直磁场边界进入磁场，经磁场偏转后打在磁场边界上的荧光屏的N 点，MN 的距离为x 。

不计粒子的重力，求：（1）粒子经电场加速后速度的大小。

（2）匀强磁场的磁感应强度的大小。

19.一台质谱仪的工作原理如图所示，电荷量均为q＋、质量不同的离子飘入电压为U的加速电场，其初速度几乎为零．这些离子经加速后通过狭缝0O沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后打在底片区域上．已知放置底片的区域MN L＝.某次测量发现MN中左侧2＝，且OM L3区域QN仍能正常检测到离子．在适当MQ损坏，检测不到离子，但右侧13调节加速电压后，原本打在MQ的离子即可在QN检测到．(1)求原本打在MN中点P的离子质量m；(2)为使原本打在P的离子能打在QN区域，求加速电压U的调节范围．(3)为了在QN区域将原本打在MQ区域的所有离子检测完整，求需要调节U 的最少次数。