第4節(jié) 質(zhì)譜儀與回旋加速器

第4節(jié)質(zhì)譜儀與回旋加速器核心素養(yǎng)導學物理觀念(1)了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的構(gòu)造和工作原理。(2)了解回旋加速器面臨的技術(shù)難題?？茖W思維經(jīng)歷質(zhì)譜儀工作原理的推理過程，體會邏輯推理的思維方法?？茖W探究探究質(zhì)譜儀、回旋加速器、速度選擇器、磁流體發(fā)電機、霍爾元件等的工作原理?？茖W態(tài)度與責任體會科學與技術(shù)之間的相互影響，能了解科學、技術(shù)、社會、環(huán)境的關(guān)系，在理論與實踐結(jié)合的過程中體會成功的喜悅。qU二、回旋加速器1．多級加速器(1)各加速區(qū)的兩極板用獨立電源供電。(2)要獲得高能量的粒子，加速器裝置要很長。2．回旋加速器(1)構(gòu)造：如圖所示，D1、D2是兩個中空的半圓金屬盒，D形盒的縫隙處接______電源。D形盒處于勻強磁場中。(2)原理：交流電的周期和粒子做圓周運動的周期_____，粒子在圓周運動的過程中一次一次地經(jīng)過D形盒縫隙，兩盒間的電勢差一次一次地反向，粒子就會被一次一次地加速。(3)周期：粒子每經(jīng)過一次加速，其軌道半徑就大一些，但粒子做圓周運動的周期_____。交流相等不變1．如圖所示是質(zhì)譜儀示意圖，它可以測定單個離子的質(zhì)量，圖中離

子源S產(chǎn)生帶電荷量為q的離子，經(jīng)電壓為U的電場加速后垂直射

入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，沿半圓軌跡運動到記錄它的照

相底片P上。判斷下列說法的正誤。(1)只要粒子的電荷量相同，經(jīng)加速電場加速后的末速度都相同。

()(2)只要帶電粒子的質(zhì)量不同，打在照相底片上的位置就不同。

()(3)利用質(zhì)譜儀可以測定帶電粒子的比荷。

()××√2．質(zhì)譜儀和回旋加速器的原理是什么？提示：帶電粒子在電場中加速，在磁場中做勻速圓周運動。3.一個用于加速質(zhì)子的回旋加速器，其核心部分如圖所示，D形盒半

徑為R，垂直D形盒底面的勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B，兩盒分別

與交流電源相連。判斷下列說法的正誤。(1)在回旋加速器中，質(zhì)子運動一周被加速兩次。

()(2)回旋加速器是利用磁場控制軌道，用電場進行加速的。

()(3)加速電壓增大時，質(zhì)子獲得的最大速度也增大。

()√√×[典例體驗][典例]

(2022·杭州高二檢測)質(zhì)譜儀原理如圖所示，a為粒子加速器，電壓為U1；b為速度選擇器，磁場與電場正交，磁感應(yīng)強度為B1，板間距離為d；c為偏轉(zhuǎn)分離器，磁感應(yīng)強度為B2。今有一質(zhì)量為m、電荷量為e的帶正電粒子(不計重力)，經(jīng)加速后，該粒子恰能通過速度選擇器，粒子進入偏轉(zhuǎn)分離器后做勻速圓周運動。求：(1)粒子的速度v為多少？(2)速度選擇器的電壓U2為多少？(3)粒子在B2磁場中做勻速圓周運動的半徑R為多大？[針對訓練]1．(多選)質(zhì)譜儀是一種測定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具，

它的構(gòu)造原理如圖，離子源S產(chǎn)生的各種不同正離子束(速度可看

作0)，經(jīng)加速電場加速后垂直進入有界勻強磁場，到達記錄它的

照相底片P上，設(shè)離子在P上的位置到進入磁場處的距離為x，可以判斷

(

)A．若離子束是同位素，則x越大，離子的質(zhì)量越大B．若離子束是同位素，則x越大，離子的質(zhì)量越小C．只要x相同，則離子的比荷一定相等D．只要x相同，則離子的質(zhì)量一定相等答案：AC2．(選自粵教版教材課后練習)利用質(zhì)譜儀測量氫元素的同位素，

如圖所示，讓氫元素的三種同位素氕、氘、氚的離子流從容器

A下方的小孔無初速度飄入電勢差為U的加速電場，加速后垂直

進入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場，最后打在照相底片D上，形成a、b、c三條質(zhì)譜線。(1)在進入磁場時，氫元素的哪種同位素的動能比較大？為什么？(2)氫元素的哪種同位素在磁場中運動的時間比較長？為什么？(3)a、b、c三條質(zhì)譜線分別對應(yīng)氫元素的哪一種同位素？[典例體驗][典例]

(2022·煙臺高二檢測)兩個相同的回旋加速器，分別接在加速電壓U1和U2的高頻電源上，且U1＞U2，兩個相同的帶電粒子分別從這兩個加速器的中心由靜止開始運動，設(shè)兩個粒子在加速器中運動的時間分別為t1和t2，獲得的最大動能分別為Ek1和Ek2，則

(

)A．t1＜t2，Ek1＞Ek2 B．t1＝t2，Ek1＜Ek2C．t1＜t2，Ek1＝Ek2 D．t1＞t2，Ek1＝Ek2[答案]

C[針對訓練]1．(多選)回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是與

高頻交流電源相連接的兩個D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成的

周期性變化的電場，使粒子在通過狹縫時都能得到加速，兩D形

金屬盒處于垂直于盒底面的勻強磁場中，如圖所示，要增大帶電粒子射出時的動能，下列說法中正確的是

(

)A．增大勻強電場間的加速電壓B．增大磁場的磁感應(yīng)強度C．減小狹縫間的距離D．增大D形金屬盒的半徑答案：BD

2．如圖所示為回旋加速器的工作原理示意圖，D形金屬盒置于真空中，半徑為R，兩金屬盒間的狹縫很小，磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場與金屬盒盒面垂直，高頻交流電的頻率為f，加速電壓為U，若中心粒子源處產(chǎn)生的初速度為0的質(zhì)子(質(zhì)量為m，電荷量為＋e)在加速器中被加速。不考慮相對論效應(yīng)，則下列說法正確的是

(

)A．加速的粒子獲得的最大動能隨加速電壓U的增大而增大B．不改變磁感應(yīng)強度B和交流電的頻率f，該加速器一定可加速其他帶正電荷的粒子C．質(zhì)子加速后的最大速度不能超過2πRfD．質(zhì)子第二次和第一次經(jīng)過D形盒間狹縫后軌道半徑之比為2∶1答案：C

[答案]

(1)磁場方向垂直紙面向里(2)1×105m/s[例2·磁流體發(fā)電機]目前，世界上正在研究一種新型發(fā)電機叫磁流體發(fā)電機。如圖表示它的原理：將一束等離子體噴射入磁場，在磁場中有兩塊金屬板A、B，這時金屬板上就會聚集電荷，產(chǎn)生電壓。下列說法不正確的是

(

)A．B板帶正電

B．A板帶正電C．其他條件不變，只增大射入速度，UAB增大D．其他條件不變，只增大磁感應(yīng)強度，UAB增大[答案]

B[例3·電磁流量計]

(多選)為了測量某化工廠的污水排放量，技術(shù)人員在該廠的排污管末端安裝了如圖所示的流量計，該裝置由絕緣材料制成，長、寬、高分別為a、b、c，左右兩端開口，在垂直于上、下底面方向加磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場，在前、后兩個表面內(nèi)側(cè)固定有金屬板作為電極，污水充滿管口從左向右流經(jīng)該裝置時，電壓表將顯示兩個電極間的電壓U。若用Q表示污水流量(單位時間內(nèi)排出的污水體積)，下列說法中正確的是

(

)A．若污水中正離子較多，則前表面比后表面電勢高B．前表面的電勢一定低于后表面的電勢，與哪種離子多少無關(guān)C．污水中離子濃度越高，電壓表的示數(shù)越大D．污水流量Q與U成正比，與a、b無關(guān)[答案]

BD[例4·霍爾元件]

筆記本電腦機身和顯示屏對應(yīng)部位分別有磁體和霍爾元件。當顯示屏開啟時磁體遠離霍爾元件，電腦正常工作；當顯示屏閉合時磁體靠近霍爾元件，屏幕熄滅，電腦進入休眠狀態(tài)。如圖所示，一塊寬為a、長為c的矩形半導體霍爾元件，元件內(nèi)的導電粒子是電荷量為e的自由電子，通入方向向右的電流時，電子的定向移動速度為v。當顯示屏閉合時元件處于垂直于上表面、方向向下的勻強磁場中，于是元件的前、后表面間出現(xiàn)電壓U，以此控制屏幕的熄滅。則元件的(

)[答案]

D[系統(tǒng)歸納]續(xù)表一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

科學思維——質(zhì)譜儀的應(yīng)用分析1．(選自魯科版教材課后練習)(多選)日本福島核電站的核泄漏

事故，使碘的同位素131I被更多的人了解。利用質(zhì)譜儀可分析

碘的各種同位素。如圖所示，電荷量均為q的帶正電的131I和

127I質(zhì)量分別為m1和m2，它們從容器A下方的小孔S1進入電壓為U的加速電場(初速度忽略不計)，經(jīng)電場加速后從小孔S2射出，垂直進入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，最后打到照相底片D上。下列說法正確的是

(

)答案：BD

科學思維——電磁流量計的應(yīng)用分析2．(選自魯科版教材課后練習)如圖所示，當液體在矩形管

道中流動時，液體中的正、負離子受磁場力作用分別向

金屬板M、N偏轉(zhuǎn)，使兩板間形成穩(wěn)定的電壓，測出該電

壓U和管道的橫截面積S，便可計算液體的流量Q(即單位時間內(nèi)流過的體積)，這就是電磁流量計的工作原理?，F(xiàn)已知垂直于側(cè)面的磁場磁感應(yīng)強度為B，M、N兩板間的電壓為U，管道ab和ad邊的邊長分別為l1和l2。求：(1)管道內(nèi)液體流動的速度v；(2)管道內(nèi)液體的流量Q。二、新題目精選——品立意深處所蘊含的核心價值1．(多選)自行車速度計利用霍爾效應(yīng)傳感器獲知自行車的運動速率。如圖甲所示，自行車前輪上安裝一塊磁鐵，輪子每轉(zhuǎn)一圈，這塊磁鐵就靠近傳感器一次，傳感器會輸出一個脈沖電壓。圖乙為霍爾元件的工作原理圖。當磁鐵靠近霍爾元件時，導體內(nèi)定向運動的自由電荷在洛倫茲力作用下偏轉(zhuǎn)，最終使導體在與磁場、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)電勢差，即為霍爾電勢差。下列說法正確的是

(

)A．根據(jù)單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)和自行車車輪的半徑即可獲知車速大小B．自行車的車速越大，霍爾電勢差越高C．圖乙中霍爾元件的電流I是由正電荷定向運動形成的D．如果長時間不更換傳感器的電源，霍爾電勢差將減小答案：AD2．(2022·廣東深圳期末)某些腫瘤可以用“質(zhì)子療法”進行治療，在這種療法中，質(zhì)子先被加速到具有較高的能量，然后被引向并轟擊腫瘤，殺死細胞，如圖甲所示為該儀器示意圖。圖乙為某“質(zhì)子療法”儀器部分結(jié)構(gòu)的簡化圖，Ⅰ是質(zhì)子發(fā)生器，質(zhì)子的質(zhì)量m＝1.6×10－27kg，電荷量e＝1.6×10－19C，質(zhì)子從A點進入Ⅱ；Ⅱ是加速裝置，內(nèi)有勻強電場，加速長度d1＝4.0cm；Ⅲ裝置由平行金屬板構(gòu)成，板間有相互垂直的勻強電場和勻強磁場，板間距d2＝2.0cm，上下極板間電勢差U2＝1000V；Ⅳ是偏轉(zhuǎn)裝置，以O(shè)為圓心、半徑R＝0.1m的圓形區(qū)域內(nèi)有垂直紙面向外的勻強磁場。質(zhì)子從M進入、N射出，A、M、O三點共線，通過磁場的強弱可以控制質(zhì)子射出時的方向?，F(xiàn)需要質(zhì)子從A處由靜止被加速后以v＝1.0×107m/s的速度恰好沿直線通過M來殺死某腫瘤的細胞，為了達到此條件，回答以下