質(zhì)譜儀與回旋加速器 導(dǎo)學(xué)案 高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第二冊

高二物理導(dǎo)學(xué)案選擇性必修第二冊第一章安培力與洛倫茲力.4質(zhì)譜儀與回旋加速器班級：姓名：學(xué)號：[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.知道質(zhì)譜儀的構(gòu)造及工作原理，會確定粒子在磁場中運(yùn)動的半徑，會求粒子的比荷.2.知道回旋加速器的構(gòu)造及工作原理，知道交流電的周期與粒子在磁場中運(yùn)動的周期之間的關(guān)系，知道決定粒子最大動能的因素．【基礎(chǔ)知識梳理】一、質(zhì)譜儀1．質(zhì)譜儀構(gòu)造：主要構(gòu)件有加速__________、偏轉(zhuǎn)________和照相底片．2．運(yùn)動過程(如圖)(1)帶電粒子經(jīng)過電壓為U的加速電場加速，________＝eq\f(1,2)mv2.(2)垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，做勻速圓周運(yùn)動，r＝____________________，可得r＝________________________.3．分析：從粒子打在底片D上的位置可以測出圓周的半徑r，進(jìn)而可以算出粒子的________．二、回旋加速器1．回旋加速器的構(gòu)造：兩個D形盒，兩D形盒接________流電源，D形盒處于垂直于D形盒的勻強(qiáng)________中，如圖．2．工作原理(1)電場的特點(diǎn)及作用特點(diǎn)：兩個D形盒之間的窄縫區(qū)域存在________________的電場．作用：帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時被________．(2)磁場的特點(diǎn)及作用特點(diǎn)：D形盒處于與盒面垂直的________磁場中．作用：帶電粒子在洛倫茲力作用下做___________運(yùn)動，從而改變運(yùn)動________，________圓周后再次進(jìn)入電場．【典型例題】例1(2022·南京市第十二中學(xué)高二階段練習(xí))如圖所示為質(zhì)譜儀測定帶電粒子質(zhì)量的裝置的示意圖．速度選擇器(也稱濾速器)中電場強(qiáng)度E的方向豎直向下，磁感應(yīng)強(qiáng)度B1的方向垂直紙面向里，分離器中磁感應(yīng)強(qiáng)度B2的方向垂直紙面向外．在S處有甲、乙、丙、丁四個一價正離子垂直于E和B1入射到速度選擇器中，若m甲＝m乙<m丙＝m丁，v甲<v乙＝v丙<v丁，在不計(jì)重力的情況下，則打在P1、P2、P3、P4四點(diǎn)的離子分別是()A．甲乙丙丁 B．甲丁乙丙C．丙丁乙甲 D．甲乙丁丙針對訓(xùn)練(2021·鹽城市大豐區(qū)新豐中學(xué)高二期末)如圖所示為質(zhì)譜儀的示意圖，在容器A中存在若干種電荷量相同而質(zhì)量不同的帶電粒子，它們可從容器A下方的小孔S1飄入電勢差為U的加速電場，它們的初速度幾乎為0，然后經(jīng)過S3沿著與磁場垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，最后打到照相底片D上．若這些粒子中有兩種電荷量均為q、質(zhì)量分別為m1和m2的粒子(m1＜m2)．(1)分別求出兩種粒子進(jìn)入磁場時的速度v1、v2的大??；(2)求這兩種粒子在磁場中運(yùn)動的軌道半徑之比；(3)求兩種粒子打到照相底片上的位置間的距離．二、回旋加速器例2(2022·江蘇江陰高級中學(xué)高二階段練習(xí))回旋加速器利用磁場和電場使帶電粒子做回旋運(yùn)動，經(jīng)過多次加速，粒子最終從D形盒邊緣引出，成為高能粒子．若D形盒中磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，D形盒縫隙間電場變化周期為T，加速電壓為U.D形盒的半徑為R，則下列判斷正確的是()①被加速粒子的比荷為eq\f(2π,TB)②被加速粒子獲得的最大速度為eq\f(2πR,T)③粒子被加速的次數(shù)為eq\f(2πBR2,TU)④粒子獲得的最大動能會隨著加速電壓的變化而變化A．①②B．②③C．③④D．①④例3回旋加速器工作原理示意圖如圖所示，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場與盒面垂直，兩盒間的狹縫很小，粒子穿過的時間可忽略，它們接在電壓為U、頻率為f的交流電源上，若A處粒子源產(chǎn)生的質(zhì)子在加速器中被加速，下列說法正確的是()A．若只增大交流電壓U，則質(zhì)子獲得的最大動能增大B．若只增大交流電壓U，則質(zhì)子在回旋加速器中運(yùn)行時間會變短C．用同一回旋加速器可以同時加速質(zhì)子(eq\o\al(1,1)H)和氚核(eq\o\al(3,1)H)D．若磁感應(yīng)強(qiáng)度B增大，交流電頻率f必須適當(dāng)減小才能正常工作1.4質(zhì)譜儀與回旋加速器班級：姓名：學(xué)號：1.1922年，英國科學(xué)家阿斯頓因質(zhì)譜儀的發(fā)明、同位素和質(zhì)譜的研究榮獲了諾貝爾化學(xué)獎．質(zhì)譜儀的兩大重要組成部分是加速電場和偏轉(zhuǎn)磁場．如圖所示為質(zhì)譜儀的原理圖，設(shè)想有一個靜止的帶電粒子P(不計(jì)重力)，經(jīng)電壓為U的加速電場加速后，垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，最后打到底片上的D點(diǎn)．設(shè)OD＝x，則在下列圖中能正確反映x2與U之間函數(shù)關(guān)系的是()2.質(zhì)譜儀是測量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具．如圖所示為質(zhì)譜儀的原理示意圖，現(xiàn)利用質(zhì)譜儀對氫元素進(jìn)行測量．讓氫元素三種同位素的離子流從容器A下方的小孔S無初速度飄入電勢差為U的加速電場，加速后垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中．氫的三種同位素最后打在照相底片D上，形成a、b、c三條“質(zhì)譜線”．重力不計(jì)，則下列判斷正確的是()A．進(jìn)入磁場時速度從大到小排列的順序是氕、氘、氚B．進(jìn)入磁場時動能從大到小排列的順序是氕、氘、氚C．在磁場中運(yùn)動時間由大到小排列的順序是氕、氘、氚D．a(chǎn)、b、c三條“質(zhì)譜線”依次排列的順序是氕、氘、氚3.回旋加速器的工作原理如圖所示．D形盒半徑為R，盒內(nèi)勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，設(shè)氘核eq\o\al(2,1)H的電荷量為q，質(zhì)量為m，不考慮相對論效應(yīng)，下列說法正確的是()A．氘核eq\o\al(2,1)H加速后的最大速度為eq\f(qBR,2m)B．氘核eq\o\al(2,1)H加速后的最大速度與加速電場的電壓有關(guān)C．氘核eq\o\al(2,1)H第1次和第2次經(jīng)過兩D形盒間狹縫后軌道半徑之比為1∶2D．加速氘核eq\o\al(2,1)H的回旋加速器可以直接用來加速α粒子eq\o\al(4,2)He4.(2021·南通市高二期末)1932年物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，巧妙地解決了粒子的加速問題．如圖所示，加速器的核心部分是兩個D形金屬盒，兩盒相距很近，分別和高頻交流電源相連接，兩盒放在勻強(qiáng)磁場中，磁場方向垂直于盒底面，現(xiàn)使氦核由加速器的中心附近進(jìn)入加速器，加速后通過特殊裝置被引出．下列說法正確的是()A．粒子運(yùn)動軌道間的距離由里向外逐漸均勻減小B．若僅增大加速電壓，粒子在加速器中運(yùn)動的總時間將減小C．粒子能夠獲得的最大動能隨加速電壓大小的變化而變化D．若減小磁感應(yīng)強(qiáng)度且同時增大交流電的頻率，粒子也能被加速5．(2021·阜陽市潁東區(qū)聯(lián)考)現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來分析比質(zhì)子重很多倍的離子，其示意圖如圖所示，其中加速電壓恒定．質(zhì)子在入口處從靜止開始被加速電場加速，經(jīng)勻強(qiáng)磁場偏轉(zhuǎn)后從出口離開磁場．若某種一價正離子在入口處從靜止開始被同一加速電場加速，為使它經(jīng)勻強(qiáng)磁場偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開磁場，需將磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到原來的12倍．此離子和質(zhì)子的質(zhì)量的比值為()A．11B．12C．121D．1446．(2021·合肥市月考)如圖所示，在x軸的上方存在垂直紙面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B0的勻強(qiáng)磁場，位于x軸下方的離子源C發(fā)射質(zhì)量為m、電荷量為q的一束負(fù)離子，其初速度大小范圍為0～eq\r(3)v0.這束離子經(jīng)電勢差為U＝eq\f(mv02,2q)的電場加速后，從小孔O(坐標(biāo)原點(diǎn))垂直x軸并垂直磁場射入磁場區(qū)域，最后打到x軸上．在x軸上2a～3a(a＝eq\f(mv0,qB0))區(qū)間水平固定放置一探測板，離子重力不計(jì)．(1)求離子束從小孔O射入磁場后打到x軸的區(qū)間；(2)調(diào)整磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，可使速度最大的離子恰好打在探測板的最右端，求此時磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B1.7．(2021·蘇州市期中)回旋加速器的工作原理如圖甲所示，置于真空中的D形金屬盒半徑為R，兩盒間狹縫的間距為d，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場與盒面垂直，被加速粒子的質(zhì)量為m，電荷量為＋q，加在狹