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(dǎo)學(xué)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(xué)思維經(jīng)歷質(zhì)譜儀工作原理的推理過(guò)程，體會(huì)邏輯推理的思維方法?？茖W(xué)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(jī)、霍爾元件等的工作原理。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任體會(huì)科學(xué)與技術(shù)之間的相互影響，能了解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的關(guān)系，在理論與實(shí)踐結(jié)合的過(guò)程中體會(huì)成功的喜悅。qU二、回旋加速器1．多級(jí)加速器(1)各加速區(qū)的兩極板用獨(dú)立電源供電。(2)要獲得高能量的粒子，加速器裝置要很長(zhǎng)。2．回旋加速器(1)構(gòu)造：如圖所示，D1、D2是兩個(gè)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(qiáng)磁場(chǎng)中。(2)原理：交流電的周期和粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期_____，粒子在圓周運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中一次一次地經(jīng)過(guò)D形盒縫隙，兩盒間的電勢(shì)差一次一次地反向，粒子就會(huì)被一次一次地加速。(3)周期：粒子每經(jīng)過(guò)一次加速，其軌道半徑就大一些，但粒子做圓周運(yùn)動(dòng)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(cè)定單個(gè)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(chǎng)加速后垂直射

入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，沿半圓軌跡運(yùn)動(dòng)到記錄它的照

相底片P上。判斷下列說(shuō)法的正誤。(1)只要粒子的電荷量相同，經(jīng)加速電場(chǎng)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(cè)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(chǎng)中加速，在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。3.一個(gè)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(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，兩盒分別

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

()(2)回旋加速器是利用磁場(chǎng)控制軌道，用電場(chǎng)進(jìn)行加速的。

()(3)加速電壓增大時(shí)，質(zhì)子獲得的最大速度也增大。

()√√×[典例體驗(yàn)][典例]

(2022·杭州高二檢測(cè))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(chǎng)與電場(chǎng)正交，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，板間距離為d；c為偏轉(zhuǎn)分離器，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2。今有一質(zhì)量為m、電荷量為e的帶正電粒子(不計(jì)重力)，經(jīng)加速后，該粒子恰能通過(guò)速度選擇器，粒子進(jìn)入偏轉(zhuǎn)分離器后做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。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(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R為多大？[針對(duì)訓(xùn)練]1．(多選)質(zhì)譜儀是一種測(cè)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(chǎng)加速后垂直進(jìn)入有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)，到達(dá)記錄它的

照相底片P上，設(shè)離子在P上的位置到進(jìn)入磁場(chǎng)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(xí))利用質(zhì)譜儀測(cè)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(wú)初速度飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng)，加速后垂直

進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，最后打在照相底片D上，形成a、b、c三條質(zhì)譜線。(1)在進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，氫元素的哪種同位素的動(dòng)能比較大？為什么？(2)氫元素的哪種同位素在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間比較長(zhǎng)？為什么？(3)a、b、c三條質(zhì)譜線分別對(duì)應(yīng)氫元素的哪一種同位素？[典例體驗(yàn)][典例]

(2022·煙臺(tái)高二檢測(cè))兩個(gè)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(gè)相同的帶電粒子分別從這兩個(gè)加速器的中心由靜止開始運(yùn)動(dòng)，設(shè)兩個(gè)粒子在加速器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間分別為t1和t2，獲得的最大動(dòng)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(duì)訓(xùn)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(gè)D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成的

周期性變化的電場(chǎng)，使粒子在通過(guò)狹縫時(shí)都能得到加速，兩D形

金屬盒處于垂直于盒底面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示，要增大帶電粒子射出時(shí)的動(dòng)能，下列說(shuō)法中正確的是

(

)A．增大勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓B．增大磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)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(duì)論效應(yīng)，則下列說(shuō)法正確的是

(

)A．加速的粒子獲得的最大動(dòng)能隨加速電壓U的增大而增大B．不改變磁感應(yīng)強(qiáng)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(guò)2πRfD．質(zhì)子第二次和第一次經(jīng)過(guò)D形盒間狹縫后軌道半徑之比為2∶1答案：C

[答案]

(1)磁場(chǎng)方向垂直紙面向里(2)1×105m/s[例2·磁流體發(fā)電機(jī)]目前，世界上正在研究一種新型發(fā)電機(jī)叫磁流體發(fā)電機(jī)。如圖表示它的原理：將一束等離子體噴射入磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)中有兩塊金屬板A、B，這時(shí)金屬板上就會(huì)聚集電荷，產(chǎn)生電壓。下列說(shuō)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(qiáng)度，UAB增大[答案]

B[例3·電磁流量計(jì)]

(多選)為了測(cè)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(jì)，該裝置由絕緣材料制成，長(zhǎng)、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(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，在前、后兩個(gè)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(shí)，電壓表將顯示兩個(gè)電極間的電壓U。若用Q表示污水流量(單位時(shí)間內(nèi)排出的污水體積)，下列說(shuō)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(shì)高B．前表面的電勢(shì)一定低于后表面的電勢(shì)，與哪種離子多少無(wú)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(wú)關(guān)[答案]

BD[例4·霍爾元件]

筆記本電腦機(jī)身和顯示屏對(duì)應(yīng)部位分別有磁體和霍爾元件。當(dāng)顯示屏開啟時(shí)磁體遠(yuǎn)離霍爾元件，電腦正常工作；當(dāng)顯示屏閉合時(shí)磁體靠近霍爾元件，屏幕熄滅，電腦進(jìn)入休眠狀態(tài)。如圖所示，一塊寬為a、長(zhǎng)為c的矩形半導(dǎo)體霍爾元件，元件內(nèi)的導(dǎo)電粒子是電荷量為e的自由電子，通入方向向右的電流時(shí)，電子的定向移動(dòng)速度為v。當(dāng)顯示屏閉合時(shí)元件處于垂直于上表面、方向向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)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(shí)核心素養(yǎng)

科學(xué)思維——質(zhì)譜儀的應(yīng)用分析1．(選自魯科版教材課后練習(xí))(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(jìn)入電壓為U的加速電場(chǎng)(初速度忽略不計(jì))，經(jīng)電場(chǎng)加速后從小孔S2射出，垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打到照相底片D上。下列說(shuō)法正確的是

(

)答案：BD

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

道中流動(dòng)時(shí)，液體中的正、負(fù)離子受磁場(chǎng)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(cè)出該電

壓U和管道的橫截面積S，便可計(jì)算液體的流量Q(即單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的體積)，這就是電磁流量計(jì)的工作原理?，F(xiàn)已知垂直于側(cè)面的磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，M、N兩板間的電壓為U，管道ab和ad邊的邊長(zhǎng)分別為l1和l2。求：(1)管道內(nèi)液體流動(dòng)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(yùn)含的核心價(jià)值1．(多選)自行車速度計(jì)利用霍爾效應(yīng)傳感器獲知自行車的運(yùn)動(dòng)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(huì)輸出一個(gè)脈沖電壓。圖乙為霍爾元件的工作原理圖。當(dāng)磁鐵靠近霍爾元件時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)定向運(yùn)動(dòng)的自由電荷在洛倫茲力作用下偏轉(zhuǎn)，最終使導(dǎo)體在與磁場(chǎng)、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)電勢(shì)差，即為霍爾電勢(shì)差。下列說(shuō)法正確的是

(

)A．根據(jù)單位時(shí)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(shì)差越高C．圖乙中霍爾元件的電流I是由正電荷定向運(yùn)動(dòng)形成的D．如果長(zhǎng)時(shí)間不更換傳感器的電源，霍爾電勢(shì)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(jìn)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(xì)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(jiǎn)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(diǎn)進(jìn)入Ⅱ；Ⅱ是加速裝置，內(nèi)有勻強(qiáng)電場(chǎng)，加速長(zhǎng)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(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)，板間距d2＝2.0cm，上下極板間電勢(shì)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(qiáng)磁場(chǎng)。質(zhì)子從M進(jìn)入、N射出，A、M、O三點(diǎn)共線，通過(guò)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱可以控制質(zhì)子射出時(shí)的方向。現(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(guò)M來(lái)殺死某腫瘤的細(xì)胞，為了達(dá)到此條件，回答以下