1.4质谱仪和回旋加速器

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。

第一章 4 质谱仪与回旋加速器问题？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？质谱仪我们都知道，电场可以对带电粒子产生作用力，而磁场同样可以对运动中的带电粒子施加作用力。

因此，我们可以利用电场和磁场来控制带电粒子的运动。

通过电场，我们可以让带电粒子获得一定的速度；而利用磁场，则可以让粒子进行圆周运动。

根据公式 r = 我们可以看出，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与质量有关。

如果磁场强度(B)和速度(v)相同，但质量(m)不同，那么半径(r)也会有所不同。

这样一来，我们就可以利用这种差异将不同的粒子分开。

在19世纪末，汤姆孙的学生 受到这一想法的启发，设计出了质谱仪。

利用质谱仪，他发现了氖-20和氖-22这两种同位素，从而证实了它们的存在。

随着时间的推移，质谱仪经过多次改进，已经发展成为一种非常精密的仪器，成为科学研究和工业生产领域中不可或缺的重要工具。

如图1.4-1所示，一个质量为m 、电荷量为q 的粒子从容器A 下方的小孔S1飘入电势差为U 的加速电场。

该粒子的初速度几乎为0,接着经过S3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，最后撞击到照相底片D 上。

粒子进入磁场时的速度 v 等于它在电场中被加速而得到的速度。

由动能定理得m v 2 = qU由此可知v = （1）AU SB 7 7 7 7 7SS图1.4-1 质谱仪工作原理粒子在磁场中只受洛伦兹力的作用，做匀速圆周运动，圆周的半径为r = （2）把第（1）式中的v代入（2）式，得出粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径r如果容器 A 中粒子的电荷量相同而质量不同，它们进入匀强磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，因而被分开，并打到照相底片的不同地方。

在实际操作中，我们通常会让中性的气体分子进入电离室A,在那里它们会被电离成带电的离子。

1.4质谱仪与回旋加速器〖教材分析〗本节内容属于洛伦兹力的应用，教材介绍了质谱仪、多级加速器和回旋加速器。

值得重点介绍的是质谱仪的用途，它可以精确测定粒子的比荷，分析同位素的重要作用。

回旋加速器注意它半径与周期对粒子加速的影响。

〖教学目标与核心素养〗物理观念∶知道其质谱仪和回旋加速器工作原理，会解决带电粒子运动的相关问题。

科学思维∶通过带电粒子在质谱仪和回旋加速器中的运动分析，体会物理模型在探索自然规律中的作用。

科学探究：了解质谱仪和回旋加速器的结构，知道其工作原理，会解决带电粒子加速的相关问题。

科学态度与责任∶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。

〖教学重难点〗教学重点：质谱仪和回旋加速器工作原理。

教学难点：回旋加速器中粒子的加速周期与电场变化周期之间的关系的表达式。

〖教学准备〗多媒体课件〖教学过程〗一、新课引入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?二、新课教学（一）质谱仪我们知道，电场可以对带电粒子施加作用力，磁场也可以对运动的带电粒子施加作用力，可以利用电场和磁场来控制带电粒子的运动。

由 qB mv r = 可知，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与质量有关，如果B 、v 相同，m 不同，则r 不同，这样就可以把不同的粒子分开。

19世纪末，汤姆孙的学生阿斯顿就按照这样的想法设计了质谱仪，并用质谱仪发现了氖-20和氖-22，证实了同位素的存在。

后来经过多次改进，质谱仪已经成为一种十分精密的仪器，是科学研究和工业生产中的重要工具。

质谱仪是用来分离同位素的、检测它们的相对原子质量和相对丰度的仪器。

用它测定的原子质量的精度超过化学测量方法。

（最后动图展示质谱仪分离同位素的画面）1.下质谱仪的基本结构。

①粒子源：能生成离子束。

②加速电场：离子束经过加速电场获得了一定的速度。

1.4质谱仪与回旋加速器一、教材分析物理课程标准：知道质谱仪和回旋加速器的基本原理,以及相应的工作过程，理解在电场、磁场中的运动规律。

教材内容及体系安排：通过前面学习，知道电荷在电场、磁场中的分别受到电场力、洛伦兹力，当电荷（粒子）在匀强电场中运动的方向与电场强度方向平行时。

匀强电场对电荷（粒子）起到加速的作用，当运动的电荷（粒子）运动的方向。

与匀强磁场中磁感应强度的方向不平行时，运动的电荷（粒子）受到洛伦兹力作用。

改变运动的方向，轨迹发生偏转。

洛伦兹力提供做匀速圆周运动的向心力。

二、学情分析授课学生对象：高二年级的学生知识储备：带电粒子（微粒）在电场、磁场中的运动特点能力基础：理解粒子收到电场力的作用，会对带电粒子起到加速、偏转作用，磁场会起到偏转作用。

思维方式：比较抽象，不能用空间解释带电粒子的运动情况分析。

想象不到具体的运动情况，以及找相应的运动轨迹。

三、教学目标与核心素养物理观念学生知道带电粒子在匀强电场、磁场中运动的特点，以及遵循的相关规律，清楚在生活中的重要性。

科学思维∶训练学生运用电场和磁场的知识解决实际问题，培养其科学思维能力。

培养学生的逻辑思维能力和分析问题的能力，科学探究通过演示实验的引导，培养学生实验动手操作能力。

让学生能够从理论学习走向实践操作，培养学生的物理思维能力。

科学态度与责任通过演示实验的引导，培养学生团队合作精神，数据的处理追求实事求是的科学责任。

四、教学重难点教学重点：①带电粒子在电场和磁场中的运动特点及规律②质谱仪、回旋加速器的工作原理和生活中的应用教学难点：①质谱仪和回旋加速器的原理和应用，理解质谱仪用来测量同位素、质量比、半径比关系，回旋加速器最大初动能与加速电压无关原因。

五、教法学法教法：讲授法、实验探究法、练习法学法：自主探究法、讨论交流法、六、教学准备多媒体课件、圆规、绳子、细线七、教学过程温故知新、复习导入复习洛伦兹力、安培力的内容，相应的方向、大小的计算。

质谱仪回旋加速器知识点总结质谱仪和回旋加速器是两个分别用于物质分析和粒子加速的科学仪器，它们在不同的领域有着重要的应用。

接下来，我将分别总结质谱仪和回旋加速器的相关知识点。

1.质谱的基本原理质谱是一种用于分析物质中各组分的相对丰度和质量的方法。

它基于粒子的质量-电荷比（m/z）的差异，通过离子化，加速，分离和检测等过程来实现。

2.质谱的离子化方法常用的离子化方法有电子轰击、化学电离、电喷雾、激光解吸等。

其中，电子轰击是最常用的方法，通过高能电子与分子碰撞，使分子中的电子被轰击出来，产生离子。

3.质谱的加速和分离分离过程是通过质量分析器（mass analyzer）来实现的。

常见的质量分析器包括离子阱、四极杆、磁扇形质谱仪、飞行时间质谱仪等。

它们利用静电场、磁场和时间差等原理，按照离子的质量-电荷比进行分离和检测。

4.质谱的检测方法检测方法主要包括离子流计（Ion Current Detector, ICD）、质荷比分析器（mass-to-charge analyzer）等。

离子流计通过测量离子的电流或电荷量来检测离子信号，质荷比分析器则根据质量分析器中的离子在检测器中的位置来确定离子的质量-电荷比。

5.质谱的应用领域质谱仪广泛应用于各个领域，如环境科学、生物医药、食品安全、石油化工等。

它可以用于分析物质的成分、确定分子结构、定量分析、鉴别真伪和追溯等。

1.回旋加速器的基本原理回旋加速器是一种用于加速带电粒子的装置，其基本原理是利用静电场和磁场的作用，对电荷加速并使其沿着环形或螺旋轨道运动，从而提高其能量。

2.回旋加速器的工作过程回旋加速器主要分为加速和分束两个过程。

加速过程中，静电场和磁场作用使粒子在环形的轨道上不断加速；分束过程中，通过引入剖面磁场和多极磁场进行分束，使粒子束达到所需的束流特性。

3.回旋加速器的结构和组成部分回旋加速器由加速腔、磁铁、注入和提取系统、束流诊断和控制系统等组成。

加速腔提供电场加速粒子，磁铁通过产生磁场使粒子束束流；注入和提取系统负责将粒子注入和提取出束流；束流诊断和控制系统用于监测和控制粒子束的参数。

课时素养评价四质谱仪与回旋加速器(25分钟·60分)一、选择题(本题共5小题,每题7分,共35分)1.如图所示是速度选择器的原理图,已知电场强度为E、磁感应强度为B并相互垂直分布,某一带电粒子(重力不计)沿图中虚线水平通过。

则该带电粒子( )A.一定带正电B.速度大小为C.可能沿QP方向运动D.若沿PQ方向运动的速度大于,将一定向下极板偏转【解析】选B。

粒子从左射入时,不论带正电还是负电,电场力大小为qE,洛伦兹力大小为F=qvB=qE,两个力平衡,速度v=,粒子做匀速直线运动,故A错误,B正确;此粒子从右端沿虚线方向进入时,电场力与洛伦兹力在同一方向,不能做直线运动,故C错误;若速度v> ,则粒子受到的洛伦兹力大于电场力,使粒子偏转,只有当粒子带负电时粒子向下偏转,故D错误。

故选B。

2.目前,世界上正在研究一种新型发电机叫磁流体发电机。

如图表示它的原理:将一束等离子体喷射入磁场,在磁场中有两块金属板A、B,这时金属板上就会聚集电荷,产生电压。

下列说法不正确的是(A.B板带正电B.A板带正电C.其他条件不变,只增大射入速度,U AB增大D.其他条件不变,只增大磁感应强度,U AB增大【解析】选B。

由左手定则,带正电的离子向下偏转打到B板,使B板带正电,带负电的离子向上偏转打到A板,使A板带负电,故A正确,B错误;设A、B两板之间的距离为d,达到稳定时飞入的带电离子二力平衡qvB=,所以U AB=Bdv,故C、D正确。

本题选不正确的,故选B。

3.(多选)为了测量某化工厂的污水排放量,技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计,该装置由绝缘材料制成,长、宽、高分别为a、b、c,左右两端开口,在垂直于上、下底面方向加磁感应强度为B的匀强磁场,在前、后两个内侧固定有金属板作为电极,污水充满管口从左向右流经该装置时,电压表将显示两个电极间的电压U。

若用Q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积),下列说法中正确的是( )A.若污水中正离子较多,则前表面比后表面电势高B.前表面的电势一定低于后表面的电势,与哪种离子多少无关C.污水中离子浓度越高,电压表的示数越大D.污水流量Q与U成正比,与a、b无关【解析】选B、D。