人教版高中物理選擇性必修第二冊(cè)第一章4質(zhì)譜儀與回旋加速器課件

4．質(zhì)譜儀與回旋加速器第一章

安培力與洛倫茲力整體感知·自我新知初探[學(xué)習(xí)任務(wù)]

任務(wù)1．知道質(zhì)譜儀的構(gòu)造和原理。任務(wù)2．知道回旋加速器的構(gòu)造和原理。任務(wù)3．會(huì)利用力和運(yùn)動(dòng)的知識(shí)分析帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況。[問(wèn)題初探]

問(wèn)題1．帶電粒子進(jìn)入質(zhì)譜儀的加速電場(chǎng)被加速，如何求速度？問(wèn)題2．帶電粒子進(jìn)入質(zhì)譜儀的偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)如何求軌跡半徑？問(wèn)題3．回旋加速器中磁場(chǎng)和電場(chǎng)分別起什么作用？[自我感知]經(jīng)過(guò)你認(rèn)真的預(yù)習(xí)，結(jié)合你對(duì)本節(jié)課的理解和認(rèn)識(shí)，請(qǐng)畫(huà)出本節(jié)課的知識(shí)邏輯體系。探究重構(gòu)·關(guān)鍵能力達(dá)成1．原理：如圖所示，帶電粒子經(jīng)加速電場(chǎng)加速后垂直于磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，最后打在照相底片上，不同質(zhì)量的粒子在照相底片上位置不同。知識(shí)點(diǎn)一質(zhì)譜儀

qUqvB

5．應(yīng)用：可以測(cè)定帶電粒子的質(zhì)量和分析______。提醒：比荷相同的粒子經(jīng)相同加速電場(chǎng)加速后再進(jìn)入相同偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，打到感光底片的位置是相同的。同位素如圖所示為質(zhì)譜儀原理示意圖。設(shè)粒子質(zhì)量為m、電荷量為q，加速電場(chǎng)電壓為U，偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。問(wèn)題1．粒子在S1和S2之間做什么運(yùn)動(dòng)？電場(chǎng)力做的功為多大？提示：加速直線運(yùn)動(dòng)；W電＝qU。問(wèn)題2．如何求進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)的速度，并求出大小。

問(wèn)題3．打在底片上的位置到S3的距離有多大？

【典例1】

(基于加速電場(chǎng)的質(zhì)譜儀)質(zhì)譜儀是測(cè)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(duì)氫元素進(jìn)行測(cè)量。讓氫的三種同位素的離子流從容器A下方的小孔S無(wú)初速度進(jìn)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)中，氫的三種同位素分別為氕(即為質(zhì)子)、氘(質(zhì)量約為質(zhì)子的2倍，電荷量與質(zhì)子相同)、氚(質(zhì)量約為質(zhì)子的3倍，電荷量與質(zhì)子相同)，最后打在照相底片D上，形成a、b、c三條“質(zhì)譜線”。不計(jì)離子重力及離子間的相互作用力，則下列判斷正確的是(

)A．進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)速度從小到大排列的順序是氕、氘、氚B．進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)動(dòng)能從大到小排列的順序是氕、氘、氚C．在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間由小到大排列的順序是氕、氘、氚D．a(chǎn)、b、c三條“質(zhì)譜線”依次排列的順序是氕、氘、氚√

【教用·備選例題】如圖所示是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖。三個(gè)帶電粒子先后從容器A正下方的小孔S1飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng)，其初速度大小都幾乎為零，經(jīng)電場(chǎng)加速后，分別從小孔S2離開(kāi)，再?gòu)男】譙3沿著與磁場(chǎng)垂直的方向豎直向下進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打到照相底片D上的a、b、c三個(gè)不同位置。整個(gè)裝置放在真空中，均不計(jì)帶電粒子的重力和粒子之間的相互作用力。根據(jù)圖中三個(gè)帶電粒子在質(zhì)譜儀中的運(yùn)動(dòng)軌跡，下列說(shuō)法正確的是(

)A．三個(gè)帶電粒子均帶負(fù)電荷B．三個(gè)帶電粒子進(jìn)入磁場(chǎng)的動(dòng)能與帶電荷量成反比C．打在c處的帶電粒子的比荷最小D．打在a處的帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間最長(zhǎng)√

[鏈接教材]

在如圖所示的多級(jí)加速器中，各加速區(qū)的兩極之間用獨(dú)立電源供電，粒子從P1到P2做什么運(yùn)動(dòng)？P2到P3做什么運(yùn)動(dòng)？知識(shí)點(diǎn)二回旋加速器提示：勻加速運(yùn)動(dòng)；勻速運(yùn)動(dòng)1．構(gòu)造：兩個(gè)半圓形______處于與盒面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，兩金屬盒間接____電源，如圖所示。2．原理：粒子源產(chǎn)生的帶電粒子在________被電場(chǎng)加速，在金屬盒內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。經(jīng)________之后，金屬盒間電場(chǎng)反向，粒子又被加速。如此，粒子一次次被加速使速度增加到很大。金屬盒交流兩盒之間半個(gè)圓周

相同不變回旋加速器的原理圖如圖所示，已知D形盒的半徑為R，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，交流電源的周期為T(mén)，若用該回旋加速器來(lái)加速質(zhì)子，設(shè)質(zhì)子的質(zhì)量為m，電荷量為q。問(wèn)題1．回旋加速器中磁場(chǎng)和電場(chǎng)分別起什么作用？提示：磁場(chǎng)的作用是使帶電粒子回旋，電場(chǎng)的作用是使帶電粒子加速。問(wèn)題2．質(zhì)子每次經(jīng)過(guò)狹縫時(shí)，動(dòng)能的增加量是多少？提示：動(dòng)能的增加量為qU。問(wèn)題3．對(duì)交流電源的周期有什么要求？提示：交流電源的周期應(yīng)等于帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期。

√

【典例4】

(回旋加速器最大動(dòng)能、運(yùn)動(dòng)時(shí)間問(wèn)題)加速器在核物理和粒子物理研究中發(fā)揮著巨大的作用，回旋加速器是其中的一種。如圖是某回旋加速器的結(jié)構(gòu)示意圖，D1和D2是兩個(gè)中空的、半徑為R的半圓形金屬盒，兩盒之間窄縫的寬度為d，它們之間有一定的電勢(shì)差U。兩個(gè)金屬盒處于與盒面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，D1盒的中央A處的粒子源可以產(chǎn)生質(zhì)量為m、電荷量為＋q的粒子，粒子每次經(jīng)過(guò)窄縫都會(huì)被接交流電源的電場(chǎng)加速，之后進(jìn)入磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)若干次加速后，粒子從金屬盒邊緣D1離開(kāi)。忽略粒子的初速度、粒子的重力、粒子間的相互作用及相對(duì)論效應(yīng)。(1)求粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)半圈的時(shí)間t；(2)求粒子離開(kāi)加速器時(shí)獲得的最大動(dòng)能Ekm；(3)D1和D2金屬盒之間窄縫的寬度很小，因此粒子在兩盒間的電場(chǎng)加速的時(shí)間通?？梢院雎圆挥?jì)。在這種情況下，分析計(jì)算粒子從A點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到離開(kāi)加速器的時(shí)間。

應(yīng)用遷移·隨堂評(píng)估自測(cè)1．(多選)1932年勞倫斯制成了世界上第一臺(tái)回旋加速器，其原理如圖所示。這臺(tái)加速器由兩個(gè)銅質(zhì)D形盒D1、D2構(gòu)成，其間留有空隙，下列說(shuō)法正確的是(

)A．離子由加速器的中心附近進(jìn)入加速器B．離子由加速器的邊緣進(jìn)入加速器C．離子從磁場(chǎng)中獲得能量D．離子從電場(chǎng)中獲得能量√243題號(hào)1√AD

[離子從加速器的中間位置進(jìn)入加速器，最后由加速器邊緣飛出，所以A正確，B錯(cuò)誤；加速器中所加的磁場(chǎng)使離子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，所加的電場(chǎng)由交流電源提供，用于加速離子，交流電源的周期與離子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期相同，故C錯(cuò)誤，D正確。]243題號(hào)12．如圖所示是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖。三個(gè)帶電粒子先后從容器A正下方的小孔S1飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng)，其初速度大小都幾乎為零，然后都豎直向下經(jīng)過(guò)加速電場(chǎng)，分別從小孔S2離開(kāi)，再?gòu)男】譙3沿著與磁場(chǎng)垂直的方向豎直向下進(jìn)入水平向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打到照相底片D上的不同位置。整個(gè)裝置放在真空中，均不計(jì)帶電粒子的重力和粒子之間的相互作用力。根據(jù)圖中三個(gè)帶電粒子在質(zhì)譜儀中的運(yùn)動(dòng)軌跡，下列說(shuō)法正確的是(

)A．加速電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度方向豎直向上B．三個(gè)帶電粒子進(jìn)入磁場(chǎng)中的速度大小一定相同C．三個(gè)帶電粒子進(jìn)入磁場(chǎng)的動(dòng)能與帶電荷量成正比D．三個(gè)帶電粒子的比荷一定相同23題號(hào)14√

23題號(hào)14

23題號(hào)41√

23題號(hào)414．質(zhì)譜儀可以由加速器和磁分析器組成，其裝置簡(jiǎn)化成如圖所示模型。右側(cè)的磁分析器中分布著向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B。離子源源源不斷的產(chǎn)生離子，離子所帶電荷量為q。離子由靜止開(kāi)始在加速器經(jīng)過(guò)恒定電壓U加速后，從O點(diǎn)沿既垂直于磁場(chǎng)又垂直于磁場(chǎng)邊界的方向進(jìn)入磁場(chǎng)，最后離子擊中磁場(chǎng)邊界上的P點(diǎn)，已知OP的距離為d，不計(jì)離子重力和離子間的相互作用。求離子的質(zhì)量m。243題號(hào)1

243題號(hào)1

回歸本節(jié)知識(shí)，完成以下問(wèn)題：(1)質(zhì)譜儀由加速電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)組成，主要用來(lái)測(cè)量什么？提示：測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量、比荷和分析同位素。(2)回旋加速器中電場(chǎng)的作用是什么？帶電粒子獲得的最大動(dòng)能是多少？

題號(hào)課時(shí)分層作業(yè)(四)質(zhì)譜儀與回旋加速器135246879101112√

題號(hào)135246879101112題號(hào)213456879101112√

題號(hào)213456879101112

題號(hào)324568791011121√

√題號(hào)324568791011121

題號(hào)423568791011121√

題組二回旋加速器4．我國(guó)自主研發(fā)的“230MeV超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器”在中國(guó)原子能科學(xué)研究院完成測(cè)試?；匦铀倨鞯脑砣鐖D所示，D1和D2是兩個(gè)半徑為R的半圓形金屬盒，置于與盒面垂直的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，電壓為U、周期為T(mén)的交變電壓加在狹縫處。位于D1圓心處的質(zhì)子源能不斷產(chǎn)生質(zhì)子(初速度可以忽略)，質(zhì)子在兩盒之間被電場(chǎng)加速，忽略質(zhì)子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，不計(jì)質(zhì)子的重力及質(zhì)子間的相互作用，不考慮加速過(guò)程中的相對(duì)論效應(yīng)。則(

)A．交變電壓的周期是質(zhì)子做圓周運(yùn)動(dòng)周期的2倍B．質(zhì)子離開(kāi)回旋加速器的最大動(dòng)能隨電壓U增大而增大C．質(zhì)子在回旋加速器中加速的次數(shù)隨電壓U增大而減少D．質(zhì)子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間隨電壓U增大而增大題號(hào)423568791011121

題號(hào)245368791011121√5．(多選)回旋加速器原理如圖所示，置于真空中的D形金屬盒的半徑為R，兩盒間的狹縫很小，帶電粒子穿過(guò)狹縫的時(shí)間可忽略；磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與盒面垂直，交流電源的頻率為f，加速電壓為U。若A處粒子源產(chǎn)生質(zhì)子的質(zhì)量為m、電荷量為＋q，下列說(shuō)法正確的是(

)A．增大交流電壓U，則質(zhì)子獲得的最大動(dòng)能增大B．若只增大D形金屬盒的半徑，則質(zhì)子離開(kāi)加速器的時(shí)間變長(zhǎng)C．若磁感應(yīng)強(qiáng)度B增大，則交流電頻率f必須適當(dāng)增加，加速器才能正常工作D．在其他條件都不改變的情況下，帶電粒子的加速次數(shù)與R2成正比√√題號(hào)245368791011121

題號(hào)245368791011121√6．回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，如圖所示，其主體部分是兩個(gè)D形金屬盒，兩金屬盒處在垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，a、b分別與高頻交流電源兩極相連接，不計(jì)粒子通過(guò)窄縫的時(shí)間及相對(duì)論效應(yīng)，不計(jì)粒子重力及粒子間的相互作用力，下列說(shuō)法正確的是(

)A．帶電粒子從磁場(chǎng)中獲得能量B．帶電粒子的運(yùn)動(dòng)周期隨粒子速度的增加而減小C．交變電場(chǎng)的交變周期不變D．增大加速電場(chǎng)的電壓后，粒子射出加速器時(shí)的動(dòng)能增大題號(hào)245368791011121

題號(hào)2453768910111217．(多選)如圖所示，圖1為直線加速器，它由多個(gè)橫截面積相同的金屬圓筒共軸依次排列，圓筒長(zhǎng)度按照一定的規(guī)律依次增加。被加速的帶電粒子每次通過(guò)圓筒間隙都被加速，且通過(guò)圓筒間隙的時(shí)間可以忽略不計(jì)。圖2為回旋加速器，D1、D2為兩個(gè)中空的半圓金屬盒，處于豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中。被加速的帶電粒子通過(guò)D形盒間隙的時(shí)間可以忽略不計(jì)。兩個(gè)加速器中所接交流電源的電壓大小均保持恒定不變。下列說(shuō)法正確的是(

)題號(hào)245376891011121A．直線加速器中的金屬圓筒起到了屏蔽的作用，帶電粒子在圓筒中做勻速直線運(yùn)動(dòng)B．回旋加速器中制作D形盒的金屬不能選用鐵磁性材料C．只增加交流電壓值U，回旋加速器仍可正常工作，且能減小帶電粒子在加速器中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間D．直線加速器中，帶電粒子在金屬圓板0中心處由靜止釋放，則之后依次通過(guò)1、2、3圓筒的時(shí)間之比為1∶2∶3√√√

題號(hào)245376891011121題號(hào)245386791011121√

√題號(hào)245386791011121

題號(hào)924538671011121√9．(多選)如圖甲所示是用來(lái)加速帶電粒子的回旋加速器的示意圖，其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒。在加速帶電粒子時(shí)，兩金屬盒置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，兩盒分別與高頻電源相連。帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能Ek隨時(shí)間t的變化規(guī)律如圖乙所示，忽略帶電粒子在電場(chǎng)中的加速時(shí)間，則下列判斷正確的是(

)A．在Ek-t圖中應(yīng)有t4－t3＝t3－t2＝t2－t1B．高頻電源的變化周期應(yīng)該等于tn－tn－1C．粒子加速次數(shù)越多，粒子的最大動(dòng)能一定越大D．要想粒子獲得的最大動(dòng)能增大，可增加D形盒的半徑√題號(hào)924538671011121

題號(hào)92453867101112110．阿斯頓最早設(shè)計(jì)了質(zhì)譜儀，并用它發(fā)現(xiàn)了氖20(20Ne)和氖22(22Ne)，證實(shí)了同位素的存在。一種質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為如圖所示，半圓柱形通道水平放置，其上下表面內(nèi)半徑均為R、外半徑均為3R，該通道內(nèi)存在方向豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，正對(duì)著通道出口處放置一張照相底片，記錄粒子從出口射出時(shí)的位置。粒子源釋放出的20Ne和22Ne加速后垂直通過(guò)速度選擇器的正交電磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B0、電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E0，接著垂直于通道入口從中縫MN進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)，其中20Ne恰能擊中照相底片的正中間位置。已知20Ne的質(zhì)量為m1，22Ne的質(zhì)量為m2，帶電荷量均為q(q>0)，不計(jì)粒子重力，求：(1)粒子通過(guò)速度選擇器的速度v；(2)通道中勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小B1；(3)調(diào)節(jié)速度選擇器的電場(chǎng)強(qiáng)度大小，可改變粒子擊中照相底片的位置，為了保證兩種粒子都能擊中照相底片，電場(chǎng)強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的最大值Em的大小。題號(hào)924538671011121

題號(hào)924538671011121題號(hào)924538671011121

題號(hào)92453867101112111．如圖是一種回旋加速器的原理圖：半徑為r的兩個(gè)中空D形盒處于垂直于盒面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。兩D形盒左端狹縫處放置一場(chǎng)強(qiáng)恒定的加速電場(chǎng)，加速電壓為U。質(zhì)量為m、帶電量為q的帶正電粒子從P0處進(jìn)入加速電場(chǎng)。粒子初速度很小，可以忽略。粒子經(jīng)加速后再進(jìn)入D形盒中的勻強(qiáng)磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，接著又從P1處進(jìn)入兩D形盒之間的真空狹縫(兩虛線狹縫之間無(wú)電場(chǎng)、無(wú)磁場(chǎng))。多次加速后，從D形盒右側(cè)的邊緣M處沿切線引出。粒子在狹縫中運(yùn)動(dòng)時(shí)間很小，可忽略。求：(1)粒子第一次被加速后，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡半徑；(2)粒子能夠獲得的最大速度和加速的次數(shù)；(3