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

2022-2023学年人教版（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）

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；②加速电场(U）；③速度选择器()；④ 偏转磁场()；⑤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，偏转磁场磁感应强度为，有，v不全相同，只有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，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，。

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。

基础小题试练

1.质谱仪是分离和检测同位素的仪器，其示意图如图所示。从粒子源S出来时的粒子速度很小，可以看作初速度为零，粒子经过电场加速后从入口进入有界的垂直纸面向外的匀强磁场区域，并沿着半圆周运动而到达出口P.现使磁感应强度大小B加倍，要使粒子的运动轨迹不发生变化，仍沿着半圆周运动而到达出口P，应该使加速电场的电压U变为原来的(   )

A.12倍 B.10倍 C.8倍 D.4倍

2.回旋加速器中的磁感应强度为B,被加速粒子的电荷量为q,质量为m,用LC振荡器作为带电粒子加速的交流高频电源,电感L和电容C的数值应该满足的关系为(   )

A. B. C. D.

3.如图所示为某回旋加速器示意图，利用回旋加速器对粒子进行加速，此时D形盒中的磁场的磁感应强度大小为B，D形盒缝隙间电场变化周期为T，加速电压大小为U。忽略相对论效应和粒子在D形盒缝隙间的运动时间，下列说法中正确的是(   )

A.粒子从磁场中获得能量

B.保持和T不变，该回旋加速器可以加速质子

C.只增大加速电压粒子在回旋加速器中运动的时间变短

D.只增大加速电压粒子获得的最大动能增大

答案以及解析

1.答案：D

解析：要使粒子在磁场中仍打在P点，则可知，粒子的运动半径不变，则由可知；磁感应强度B加倍，而R不变，速度一定也可加倍；对加速过程可知，，解得：，故要使速度加倍，电势差应变为原来的4倍，故D正确，ABC错误。
故选：D。

2.答案：D

解析：要使得回旋加速器正常工作，则粒子做圆周运动的周期等于振荡电路的周期，即,即,故选D。

3.答案：C

解析：A、粒子在磁场中受到洛伦兹力，但洛伦兹力不做功，粒子从电场中获得能量，故A错误；

B、根据加速电场的周期和粒子在磁场运动的周期相同，粒子在磁场中运动的周期，由于质子与粒子的比荷不同，所以不能加速质子，故B错误；

CD、根据，解得：，带电粒子射出时的动能为，知最大动能与加速器的半径、磁感线强度以及电荷的电量和质量有关，与加速电场无关，故D错误；设在电场中加速的次数为n，根据可得，U越大，n越小，在磁场中运动的时间越短，故C正确。

故选：C。