人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器导学案及答案

2020-2021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 学案

学习目标

1、知道质谱仪、回旋加速器的基本构造、原理和基本用途。

2、通过情境设置，培养学生分析、解决实际问题的能力。

3、通过师生、生生思维碰撞，开阔学生思维，培养学生的创新意识

重点难点

1、质谱仪的构造和工作原理。（重点）

2、回旋加速器的构造和工作原理。（重点）

3、粒子的回旋周期与加速电场的变化周期之间的关系。（难点）

4、影响被加速粒子最大动能的因素。（难点）

自主探究

1.质谱仪：

（1）用途：测量带电粒子的①        和分析②         的重要工具。

（2）运动过程：

①带电粒子经过电压为U的加速电场加速，则有③        =。

②带电粒子垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，做匀速圆周运动，则有，可得

r=④        。

（3）分析：如图所示，根据带电粒子在磁场中做圆周运动的⑤        大小，就可以判断带电粒子的荷质比的大小，如果测出半径且已知电荷量，就可求出带电粒子的

⑥        。

2回旋加速器

（1）构造：如图所示。

（2）工作原理：

①电场的特点及作用：

特点：两个D形盒之间的窄缝区域存在⑦        的电场。

作用：带电粒子经过该区域时被⑧        。

②磁场的特点及作用：

特点：D形盒处于与盒面垂直的⑨        磁场中。

作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做⑩        运动，从而改变⑪        ，⑫        周期后再次进入电场。

答案：①质量  ②同位素  ③qU  ④  ⑤半径  ⑥质量  ⑦周期性变化  ⑧加速  ⑨匀强  ⑩匀速圆周  ⑪运动方向  ⑫半个  

预习检测

1.判断正误。

（1）带电粒子在磁场中偏转时，速度的方向改变而速度的大小不变。         （   ）

（2）回旋加速器两狭缝可以接直流电源。                                 （   ）

（3）因不同原子的质量不同，所以同位素在质谱仪中的轨道半径不同。       （   ）

（4）速度选择器既可以选择粒子的速度，也可以选择粒子的电性。           （   ）

（5）应用质谱仪可以测定带电粒子的荷质比。                             （   ）

（6）利用回旋加速器加速带电粒子，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R                                                  （   ）

答案：（1）√ （2）× （3）√ （4）× （5）√ （6）√

探究思考

【典例一】质谱仪是测量带电粒子的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的质量,其工作原理如图所示,虚线为粒子的运动轨迹,则下列说法正确的是(   )

A.此粒子带负电  B.下极板的电势比上极板的电势高

C.若只增大加速电压U的值,则半径r变大 D.若只增大入射粒子的质量,则半径r变小

答案：C

解析：由题图结合左手定则可知,此粒子带正电,故A错误;带正电粒子经过电场要加速，所以下极板的电势比上极板的电势低,故B错误;根据动能定理得,由得，若只增大加速电压U的值,则半径r变大，故C正确;若只增大入射粒子的质量,则半径r变大,故D错误。
【典例二】如图所示，回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的装置。其核心部分是两个“D”型金属盒，置于匀强磁场中，两盒分别与高频交流电源相连。则带电粒子获得的最大动能与下列哪些因素有关(   )

A.加速的次数  B.加速电压的大小
C.交流电的频率  D.匀强磁场的磁感应强度

答案：D

解析：根据得，最大速度，则最大动能，知最大动能和金属盒的半径以及磁感应强度有关，与加速的次数、交流电的频率和加速电压的大小无关，故D正确，ABC错误。
故选D。

知识梳理

第4节 质谱仪与回旋加速器

1.质谱仪

（1）构造

（2）工作原理

2.回旋加速器

（1）构造：D形盒、强电磁铁、交流电源、粒子源、引出装置等。

（2）用途：利用电场加速和磁场偏转获得高能粒子。

（3）原理：

①磁场作用：使带电粒子发生偏转。

②电场作用：加速带电粒子。

③加速条件：交流电的周期与粒子匀速圆周运动的周期相同。

（4）优缺点：

①优点：体积小。

②缺点：带电粒子的能量不能很高。

随堂训练

1.质谱仪可测定同位素的组成,现有一束一价的钾39和钾41离子经电场加速后,沿着与磁场边界垂直的方向进入匀强磁场中,如图所示.测试时规定加速电压大小为,但在实验过程中加速电压有较小的波动,可能偏大或偏小.为使钾39和钾41打在照相底片上的区域不重叠,不计离子的重力,则不得超过(   )

A. B. C. D.

2.如图所示是质谱仪的工作原理示意图。带电粒子被加速电场加速后，沿中心线通过速度选择器，再由匀强磁场偏转后打在胶片上。粒子在磁场中偏转的距离大于速度选择器两金属板间的距离，下列表述正确的是（   ）

A.为让不同比荷的粒子以相同的速度通过速度选择器，不同粒子对应的加速电场的电压不同

B.用该装置分析两带负电粒子的比荷需调换该装置中所有电场和磁场的方向

C.若两粒子偏转直径，之比为1:3，则两粒子的比荷之比为1:3

D..撤去速度选择器的磁场，调节电场的大小和方向，胶片上有粒子打到的区域最长为

3.如图所示为回旋加速器的原理图，两个形金属盒处在与盒面垂直的匀强磁场中，两形盒间接入一高频交流电源，用回旋加速器给两个不同粒子分别加速，粒子的电荷量为、质量为，加速后获得的最大动能为，最大速度为，粒子的电荷量为、质量为，加速后获得的最大动能为，最大速度为，已知两次加速过程中所接入的高频交流电源频率相等，所加的匀强磁场也相同，则下列关系一定正确的是(   )

A. B. C. D.

答案及解析

1.答案：D

解析：设加速电压为U,磁场的磁感应强度大小为B,离子的电荷量为q,质量为m,轨迹半径为R,则有,解得,由此式可知,在不变时，质量(m)小的离子轨迹半径小,所以钾39离子的轨迹半径小,钾41离子的运动半径大;在不变时,加速电压(U)大的离子轨迹半径大.设钾39质量为,电压为时,最大半径为;钾41质量为,电压为时,最小半径为,则

,令，则,解得,已知钾39与钾41打在照相底片上的区域不重叠,则不得超过,故A、B、C错误,D正确.

2.答案：AD

解析：不同粒子的比荷不同，为使不同粒子都以相同速度沿中心线经过速度选择器，不同粒子对应的加速电场电压也不同，要求加速电压可调，测量偏转直径d，由通式可得偏转距离(偏转圆直径)的比值等于粒子比荷之比的倒数，A对，C错;无论粒子电性如何，只要速度相同就可以沿中心线经过速度选择器，所以测量带负电粒子的比荷只需要改变加速电场和偏转磁场的方向即可，B错;撤去速度选择器的磁场，则粒子运动轨迹如图所示，设粒子离开加速电场时的速度为，粒子从速度选择器左下角离开时速度为，粒子在磁场中的偏转圆在磁场上边界的弦长为，同理可得当粒子从速度选择器右下角离开后，运动轨迹在磁场上边界的弦长也为，即所有粒子在磁场中的偏转距离相同，最左和最右的粒子出发点相距在胶片上的位置也相距L, D正确。

3.答案：BC

解析：由于两个粒子在同一加速器中都能被加速，则两个粒子在磁场中做圆周运动的周期相等，由可知，两粒子的比荷一定相等，即,选项A错误，选项C正确；粒子最终获得的速度，由于两粒子的比荷相等，因此最终获得的速度大小相等，选项B正确；粒子最后获得的最大动能，由于粒子的比荷相等，因此，选项D错误。