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集体备课ppt课件

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器集体备课ppt课件，共34页。PPT课件主要包含了目录索引，探究点一质谱仪，探究点二回旋加速器等内容，欢迎下载使用。
1.了解质谱仪和回旋加速器的构造和应用。(科学思维)2.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。(科学思维)
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
学以致用·随堂检测全达标
一、质谱仪1.组成由电离室、　　　　电场、　　　　磁场和底片组成。 2.用途质谱仪最初是由汤姆孙的学生　　　　　设计的。他用质谱仪发现了氖-20和氖-22,证实了　　　　　的存在。质谱仪是测量带电粒子的_______　　　　和分析同位素的重要工具。 
二、回旋加速器1.回旋加速器的工作原理:回旋加速器主要由两个　　　　　　　组成,两D形盒之间的　　　　使带电粒子加速,垂直于D形盒的　　　　使带电粒子回旋。 2.交流电源的周期:回旋加速器交流电源的周期等于带电粒子在磁场中的运动周期。
电加速和磁偏转交替进行
情境链接 在如图所示的质谱仪中:(1)粒子在S1区域做什么运动?(2)若粒子在S2区域做匀速直线运动,那么粒子所受电场力和洛伦兹力需满足什么关系?
提示 (1)做初速度为零的匀加速直线运动。(2)电场力与洛伦兹力大小相等,方向相反。
易错辨析(1)利用质谱仪可以测定带电粒子的质量和分析同位素。(　　)(2)质谱仪工作时,在电场和磁场确定的情况下,同一带电粒子在磁场中的运动半径相同。(　　)(3)利用回旋加速器加速带电粒子,要提高加速粒子的最终速度,应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R。(　　)
如图所示为质谱仪原理示意图。设粒子质量为m、电荷量为q,加速电场电压为U,偏转磁场的磁感应强度为B。则粒子进入磁场时的速度是多大?打在底片上的位置到S3的距离多大?
要点提示 带电粒子经加速电场U加速,然后经过S3沿着与磁场垂直的方向进入匀强磁场,在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,最后打到照相底片上,
2.质谱仪中带电粒子运动分析
3.质谱仪区分同位素
【例1】 如图所示为质谱仪的原理图。利用这种质谱仪可以对氢元素进行测量。氢元素的各种同位素,从容器A下方的小孔S1进入加速电压为U的加速电场,可以认为从容器出来的粒子初速度为零。粒子被加速后从小孔S2进入磁感应强度为B的匀强磁场,最后打在照相底片D上,形成a、b、c三条质谱线。关于氢的三种同位素进入磁场时速率的排列顺序和三条谱线的排列顺序,下列说法正确的是(　　)A.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氕、氘、氚B.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氚、氘、氕C.a、b、c三条谱线的排列顺序是氕、氘、氚D.a、b、c三条谱线的排列顺序是氘、氚、氕
1.(2023上海松江一中期末)质谱仪原理如图所示。电荷量为q、质量为m的离子从容器A下方的狭缝S1飘入(初速度视为零)电压为U的加速电场区,然后从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,最终到达照相底片D上,则离子在磁场中的轨道半径为(　　)
回旋加速器的原理图如图所示,已知D形盒的半径为R,匀强磁场的磁感应强度为B,交流电源的周期为T,若用该回旋加速器来加速质子,设质子的质量为m,电荷量为q。
(1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用?质子每次经过狭缝时,动能的增加量是多少?
要点提示 磁场的作用是使带电粒子回旋,电场的作用是使带电粒子加速。动能的增加量为qU。
(2)对交流电源的周期有什么要求?
(3)带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定?
要点提示 交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期。
回旋加速器1.粒子被加速的条件交流电源的周期等于粒子在磁场中运动的周期。2.粒子最终的能量
3.提高粒子的最终能量的措施
4.粒子被加速次数的计算
5.粒子在回旋加速器中运动的时间
【例2】 (多选)一个用于加速质子的回旋加速器,其核心部分如图所示,D形盒半径为R,垂直D形盒面的匀强磁场的磁感应强度为B,两盒分别与交流电源相连。设质子的质量为m、电荷量为q,则下列说法正确的是(　　)
B.质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大C.质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大D.只要R足够大,质子的速度可以被加速到任意值
2.(2023江苏南通期末)回旋加速器的示意图如图所示,交流电压u的大小和频率保持不变,磁场的磁感应强度大小B可以调节。用该装置分别对质子
A.1∶8B.1∶4C.1∶2D.1∶1
1.(质谱仪)(多选)质谱仪的原理如图所示,虚线AD上方区域处在垂直纸面向外的匀强磁场中,C、D处有一荧光屏。同位素离子源产生a、b两种电荷量相同的离子,无初速度进入加速电场,经同一电压加速后,垂直进入磁场,a离子恰好打在C点,b离子恰好打在D点。离子重力不计,则(　　)A.a离子质量比b离子的大B.a离子质量比b离子的小C.a离子在磁场中的运动时间比b离子的短D.a、b离子在磁场中的运动时间相等
2.(回旋加速器)(多选)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源相连接的两个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面的匀强磁场中,如图所示,要增大带电粒子射出时的动能,下列说法正确的是(　　)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
解析 当带电粒子的速度最大时,其运动半径也最大,由洛伦兹力提供向心
3.(回旋加速器)(多选)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源两极相连接的两个D形金属盒,两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场,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。设D形盒半径为R,若用回旋加速器加速质子时,匀强磁场的磁感应强度为B,高频交流电源的频率为f,则下列说法正确的是(　　)A.质子被加速后的最大速度不可能超过2πfRB.质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关C.只要R足够大,质子的速度可以被加速到任意值D.不改变B和f,该回旋加速器也能用于加速α粒子
速后的最大速度不可能超过2πfR,且与加速电场的电压大小无关,选项A、B正确;质子的速度不可以被加速到任意值,达到一定速度后,按照狭义相对论,质子的质量会变大,从而导致运动周期变化,不再与电场变化周期同步,质子就不能继续加速了,选项C错误;由于α粒子在回旋加速器中运动的频率是质子的 ,所以不改变B和f,该回旋加速器不能用于加速α粒子,选项D错误。
4.(质谱仪)质谱仪是一种测定带电粒子的质量及分析同位素的重要工具,它的构造原理如图所示,离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看为零),经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场,到达记录它的照相底片P上,设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x。
(1)若离子质量为m、电荷量为q,加速电压为U,磁感应强度大小为B,求x的大小。
(2)氢的三种同位素 H从离子源S出发,到达照相底片的位置距入口处S1的距离之比x1∶x2∶x3为多少?