人教版 (2019)4 质谱仪与回旋加速器导学案及答案

这是一份人教版 (2019)4 质谱仪与回旋加速器导学案及答案，共4页。学案主要包含了质谱仪，回旋加速器等内容，欢迎下载使用。
教学目标-科学素养
物理观念：1. 知道质谱仪的构造及工作原理，会确定粒子在磁场中运动的半径，会求粒子
的比荷.
2．知道回旋加速器的构造及工作原理，知道交流电的周期与粒子在磁场中运动 的周期之间的关系，知道决定粒子最大动能的因素．
科学思维：通过质谱仪和回旋加速器中的学习，体会科学家用基本的物理知识设计出现代高科技仪器的科学思维方法。引导学生开动脑筋，学以致用。
科学探究: 引导学生探究电荷的极限加速时间。
科学态度与价值观：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。
自主学习（认真阅读课本，独立思考，相信你一定行﹗）
一、质谱仪
质谱仪主要用于分析同位素、测定其质量、荷质比，如图所示。
1．质谱仪构造：主要构件有离子 、加速 、偏转
和照相底片．
2．运动过程(如图所示)
(1) 质量为m、带电量为q的带电粒子从离子发生器A下方的小
孔S1飘入加速电场，初速度几乎
(2)带电粒子经过电压为U的加速电场加速，从S2孔以速度v飞出。
由动能定理有：_______________ v=
(3)垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，做匀速圆周运动，r＝ ，
可得r＝ .
3．分析：从粒子打在底片D上的位置可以测出圆周的半径r，进而可以算出粒子的
比荷qm=_____________。如已知q,可求出离子的质量m=____________
4.质谱仪的改进;
①．改进后的质谱仪的结构
主要构件有离子 、加速 、速度选择器、偏转
和照相底片．
②.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，因为v0不一定为0，v不完全相同，
V的计算有误差，只有经过速度选择器速度为的粒子
才被选出进入偏转磁场，这样测得速度v更精确。这样
可得半径r＝ .质量m = . 比荷qm=_____________
二、回旋加速器
1．回旋加速器的构造：两个D形盒，两D形盒接交流电源，D形盒处于垂直于D形盒的匀强磁场中，中心附近放置粒子源(如质子、氘核或α粒子源)，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 的电场．
作用：带电粒子经过窄缝区域时被 ．
(2)磁场的特点及作用
特点：D形盒处于与盒面垂直的 磁场中．
作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做 运动，从而改变运动方向，半个圆周后再次进入电场．
（3）粒子被加速的条件：
交变电场的周期 粒子在磁场中运动的周期．
（4）粒子加速后的最大动能Ekm
由于D形盒的半径R一定，粒子在D形盒中的最
大半径为R，由 知
最大速度vm=_____________，所以带电粒子的最大动能Ekm=_____________________。
(4)．提高粒子最大动能的措施：
由Ekm=____________可知，应
思考：最大动能与加速电压U有关吗？
3．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＝
4.粒子在加速器中运动的时间：
设加速电压为U，两盒之间得距离为d,质量为m、带电量为q的粒子共被加速了n次
在磁场中运动的时间t磁=__________________；
在磁场中运动的时间 t电=_____________________
故粒子在回旋加速器中运动的总时间为t=t电+t磁=_______________________
因为R______d，所以t磁_________t电，故粒子在电场中运动的时间可以忽略。
思考：能否无限制地回旋加速。
由于相对论效应，当带电粒子速率接近光速时，带电粒子的质量将显著增加，从而带电粒子做圆周运动的周期将随带电粒子质量的增加而加长。如果加在D形盒两极的交变电场的周期不变的话，带电粒子由于每次“迟到”一点，就不能保证粒子每次经过窄缝时总被加速。因此，同步条件被破坏，也就不能再提高带电粒子的速率了。
强化练习
如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。下列表述不正确的是（ ）
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E/B
D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小
2. 质谱仪是用来测定带电粒子的质量和分析同位素的装置，如图所示，电容器两极板相距为d，两板间的电压为U，极板间的匀强磁场的磁感应强度为B1，一束电荷量相同的带正电的粒子沿电容器的中线平行于极板射入电容器，沿直线穿过电容器后进入另一磁感应强度为B2的匀强磁场，结果分别打在感光片上的a、b两点，设a、b两点之间的距离为x，粒子所带电荷量为q，如不计重力．求：
(1)粒子进入匀强磁场B2时的速度v为多少？
(2)打在a、b两点的粒子的质量之差Δm为多少？
B
3．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．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
4．如果用同一回旋加速器分别加速氚核（H）和α粒子(He)，比较它们所加的高频交流电源的周期和获得的最大动能的大小，可知 ( )
A．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
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小，氚核获得的最大动能较大
5．在高能物理研究中，粒子回旋加速器起着重要作用，如图甲为它的示意图。它由两个铝制D型金属扁盒组成，两个D形盒正中间开有一条窄缝。两个D型盒处在匀强磁场中并接有高频交变电压。图乙为俯视图，在D型盒上半面中心S处有一正离子源，它发出的正离子，经狭缝电压加速后，进入D型盒中。在磁场力的作用下运动半周，再经狭缝电压加速。如此周而复始，最后到达D型盒的边缘，获得最大速度，由导出装置导出。已知正离子的电荷量为q，质量为m，加速时电极间电压大小为U，磁场的磁感应强度为B，D型盒的半径为R。每次加速的时间很短，可以忽略不计。正离子从离子源出发时的初速度为零。
（1）为了使正离子每经过窄缝都被加速，求交变电压的周期；
（2）求离子能获得的最大速度；
（3）离子被加速的次数
（4）离子在磁场中运动的时间
（5）求离子第1次加速后与第n次加速后的轨道半径之比。
（6）若考虑加速时间，求离子在电场中运动的时间