人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器课文内容ppt课件

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目 标 素 养1.能够分析带电粒子在匀强磁场中的受力及运动问题。2.了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。
一、质谱仪1.运动过程。
2.从离子打在底片上的位置可以测出圆周的半径,进而可以算出离子的比荷。
微判断1(1)利用质谱仪可以测定带电粒子的电荷量和质量。(　　)(2)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。(　　)(3)利用质谱仪可以分析同位素。(　　)(4)利用质谱仪可以测量粒子的比荷。(　　)
二、回旋加速器1.构造图。
2.工作原理。(1)电场的特点及作用。特点:两个中空的半圆金属盒之间的窄缝区域存在一定的电势差。作用:带电粒子经过该区域时被加速。(2)磁场的特点及作用。特点:两个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中。作用:带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,从而改变运动方向,半个周期后再次进入电场。
(3)交变电场的周期与带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期是相同的,即
微判断2(1)利用回旋加速器加速带电粒子,要提高被加速粒子的最终能量,应尽可能减小磁感应强度B和D形盒的半径R。(　　)(2)回旋加速器用磁场控制轨道,用电场进行多次加速,交流电源的周期等于带电粒子在磁场中运动的周期。(　　)(3)回旋加速器工作时,电场必须是周期性变化的。(　　)(4)回旋加速器中,磁场的作用是改变粒子的速度大小。(　　)
一 质谱仪的应用分析
重难归纳1.带电粒子运动分析。
2.质谱仪区分同位素: ,同位素电荷量q相同,质量不同,在质谱仪荧光屏上显示的位置就不同,故能据此区分同位素。
(1)如图所示,一束质量、速度和电荷量不同的正离子垂直地射入匀强磁场和匀强电场正交的区域,结果发现有些离子保持原来的运动方向,未发生任何偏转,它们的速度有什么特点?(2)如果让这些不偏转离子进入另一匀强磁场中,发现这些离子又分成几束,对这些进入另一磁场的离子,它们的比荷是否相同?
提示:(1)相同　(2)不同
典例剖析【例1】 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(速度可看成为零),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)设离子质量为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 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xH∶xD∶xT为多少?
学以致用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。则此离子和质子的质量比约为(　　)A.11B.12C.121D.144答案:D
二 回旋加速器的理解
重难归纳1.粒子被加速的条件。交流电压的周期等于粒子在磁场中运动的周期。2.粒子最终的能量。
回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用?对交流电源的周期有什么要求?带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定?
典例剖析【例2】有一回旋加速器,其匀强磁场的磁感应强度为B,所加速的带电粒子质量为m,电荷量为q。(1)求回旋加速器所加高频交流电压的周期T的表达式。(2)如果D形盒半圆周的最大半径R=0.6 m,用它来加速质子,能把质子(质量m=1.67×10-27 kg,电荷量q=1.6×10-19 C)从静止加速到具有4.0×107 eV的能量,求所需匀强磁场的磁感应强度B。
学以致用2.(多选)用如图所示的回旋加速器来加速质子,为了使质子获得的最大动能增加为原来的4倍,可采用下列哪几种方法(　　)A.将其磁感应强度增大为原来的2倍B.将其磁感应强度增大为原来的4倍C.将D形金属盒的半径增大为原来的2倍D.将两D形金属盒间的加速电压增大为原来的4倍答案:AC
2.(多选)质谱仪的构造原理如图所示,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进入有界的垂直于纸面向里的匀强磁场区域,并沿着半圆周运动而打到照相底片上的P点,测得P点到入口的距离为x,则以下说法正确的是(　　) A.粒子一定带正电B.粒子一定带负电C.x越大,粒子的质量与电荷量之比一定越大D.x越大,粒子的质量与电荷量之比一定越小答案:AC
3.回旋加速器的示意图如图所示。两个相距很近的D形金属盒处在与盒面垂直的匀强磁场中,一质子从加速器的A处开始加速。已知D形盒的半径为R,磁场的磁感应强度为B,两盒间的高频交流电源的电压为U、频率为f,质子质量为m,电荷量为q。下列说法不正确的是(　　)A.质子的最大速度与高频交流电源的电压U有关,且随电压U增大而增加
D.D形金属盒内无电场,两盒间无磁场
4.电子自静止开始经M、N板间(两板间的电压为U)的电场加速后从A点垂直于磁场边界射入宽度为d的匀强磁场中,电子离开磁场时的位置P偏离入射方向的距离为l,如图所示。求匀强磁场的磁感应强度。(已知电子的质量为m,电荷量为e)