高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器学案设计

1.4质谱仪和回旋加速器

【学习目标】

1.能够用学过的知识分析、计算有关带电粒子在匀强磁场中受力、运动问题。

2.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。

【导入新课】

一、质谱仪：学生参考课本完成相应的填空。

(1)加速：

带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得：____________.

(2)偏转：

带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力得：____________.

求解粒子运动的的半径r=____________.

思考：质谱仪的工作原理及用途？

【课堂练习】

2、A、B是两种同位素的原子核,它们具有相同的电荷、不同的质量。为测定它们的质量比,使它们从质谱仪的同一加速电场由静止开始加速,然后沿着与磁场垂直的方向进入同一匀强磁场,打到照相底片上。如果从底片上获知A、B在磁场中运动轨迹的直径之比是1.08:1,求A、B的质量之比。

二、回旋加速器：结合以下问题阅读课本

回旋加速器中匀强磁场的作用是什么？交变电场的作用？最终的能量与哪些因素有关？

【思考与讨论】

1、由于粒子运动得原来越快，如果粒子走过半圆的时间越来越短，这样两盒间电势差的正负变换就要越来越快，从而造成技术上的一个难题。实际情况是这样吗？

2、粒子每经过一次加速，它的轨道半径就会大一些，为什么？

3、求粒子最终获得的动能以及在磁场中运动的时间？（教师讲解）

【温馨提醒】

(1)回旋加速器所加高频交流电压的周期等于粒子圆周运动的周期且不随粒子半径的变化而变化。

(2)粒子的最终能量与加速电压的大小无关，由磁感应强度B和D形盒的半径决定。

【课堂练习】

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（    ）

A．144     B．121     C．12      D．11

2．图甲是回旋加速器的工作原理图。D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电势差，A处的粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，所以粒子在半圆盒中做匀速圆周运动。若带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t的变化规律如图乙所示，不计带电粒子在电场中的加速时间，不考虑由相对论效应带来的影响，下列判断正确的是(　　)

A．在Ek­t图中应该有tn＋1－tn＝tn－tn－1

B．在Ek­t图中应该有tn＋1－tn<tn－tn－1

C．在Ek­t图中应该有En＋1－En＝En－En－1

D．在Ek­t图中应该有En＋1－En<En－En－1