人教版高中物理选择性必修第二册第一章安培力与洛伦兹力4质谱仪与回旋加速器课件（62页ppt）

(共62张PPT)
第一章　安培力与洛伦兹力
4.质谱仪与回旋加速器
核心素养：
1. 了解质谱仪和回旋加速器的构造、原理及用途.（物理观念）
2. 会利用圆周运动知识和功能关系分析质谱仪和回旋加速器的工作过程.（科学 思维）
3. 会利用相关规律解决质谱仪、回旋加速器问题.（科学态度与责任）
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研习任务一　质谱仪
合作　讨论
如图所示为质谱仪原理示意图.设粒子质量为m、电荷量为q，加速电场电压为U，偏 转磁场的磁感应强度为B，粒子从容器A下方的小孔S1飘入加速电场，其初速度几乎为 0.则粒子进入磁场时的速度是多大？打在底片上的位置到S3的距离多大？
教材　认知
1. 构造：主要构件有 、 和照相底片.
加速电场　
偏转磁场　
要点　归纳
2. 应用：测量带电粒子的质量和分析同位素.
研习　经典
[典例1]　如图所示，两平行金属板间距为d，电势差为U，板间电场可视为匀强电 场；金属板下方有一磁感应强度为B的匀强磁场，带电量为＋q、质量为m的粒子，由 静止开始从正极板出发，经电场加速后射出，并进入磁场做匀速圆周运动，忽略重力 的影响，求：
（1）匀强电场场强E的大小；
（2）粒子从电场射出时速度v的大小；
（3）粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径R.
名师点评
　　质谱仪其实是带电粒子在组合场中运动的一个应用，只要熟知带电粒子在电场和 磁场中的运动规律就可以轻松解答这类问题.
对应　训练
ABD
A. 粒子一定带正电
D. 若一束离子从静止开始经过上述过程都落在胶片上同一点，
则该束离子具有相同的比荷
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研习任务二　回旋加速器
合作　讨论
劳伦斯设计并研制出了世界上第一台回旋加速器，为进行人工可控核反应提供了强有 力的工具，大大促进了原子核、基本粒子的实验研究.请思考：
（1）在回旋加速器中运动的带电粒子的动能来自于电场，还是磁场？
提示：（1）带电粒子的动能来自于电场.
（2）对交流电源的周期有什么要求？
提示：（2）交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期.
（3）带电粒子从回旋加速器中出来时的最大动能与哪些因素有关？
教材　认知
1. 构造：两个D形盒.两D形盒接交流电源，D形盒处于垂直于D形盒的匀强 中，如图所示.
磁场　
2. 工作原理
（1）D1和D2之间有一定的电势差U，A处的粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电 场 .
（2）两个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，粒子在磁场中做 运动.
（3）经过半个圆周，粒子再次到达两盒间的缝隙，两盒间的电势差改变 ， 粒子再一次被加速.如此循环往复，粒子的速度就能够增加到很大.
加速　
匀速圆周　
正负　
要点　归纳
1. 电场的特点及作用
（1）特点：周期性变化，其周期等于粒子在磁场中做圆周运动的周期.
（2）作用：对带电粒子加速，粒子的动能增大，qU＝ΔEk.
2. 磁场的作用
3. 最大动能
4. 周期
研习　经典
[典例2]　用电源频率为f的回旋加速器对电荷量为q、质量为m的氦核加速，使氦核的 能量达到Ek.则这个回旋加速器的半径r为多大？
名师点评
　　交变电源的周期（频率）与粒子运动的周期（频率）相同，以及洛伦兹力提供粒 子做圆周运动的向心力，是解决回旋加速器问题的关键.
对应　训练
A. 质子能量来源于磁场
B. 减小交变电压U，则质子在加速器中运行时间将变长
BC
知识　构建
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课后提素养 深刻剖析 提升能力
基础　题组
1. 判断正误.
√
√
√
×
A. 粒子由加速器的中心附近进入加速器
B. 粒子由加速器的边缘进入加速器
C. 粒子从磁场中获得能量
D. 粒子从电场中获得能量
AD
解析：粒子从加速器的中间位置进入加速器，最后由加速器边缘飞出，所以A对，B 错.加速器中所加的磁场使粒子做匀速圆周运动，所加的电场由交流电提供，用来加 速粒子，交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相同，故C错，D对.
A. 两种粒子都带负电
B. 金属板P1、P2间电场方向水平向左
C. b粒子的速度大于a粒子的速度
D. a粒子的比荷大于b粒子的比荷
D
中档　题组
A. 回旋加速器是利用磁场对运动电荷的作用使带电粒子的速度增大的
B. 回旋加速器使粒子获得的最大动能与加速电压成正比
C. 回旋加速器是通过多次电场加速使带电粒子获得高能量的
D. 带电粒子在回旋加速器中不断被加速，因而它做圆周运动一周所用的时间越来越短
C
A. 带电粒子的最大速度与D形盒的尺寸无关
B. 带电粒子每运动一周被加速一次
C. 带电粒子每运动一周P1P2等于P2P3
D. 加速电场方向不需要做周期性的变化
BD
3. 如图所示，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U加速后在纸面内 水平向右运动，自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁 场左边界竖直.已知甲种离子射入磁场的速度大小为v1，并在磁场边界的N点射出；乙 种离子在MN的中点射出；MN长为l.不计重力影响和离子间的相互作用.求：
（1）磁场的磁感应强度大小；
解析：（1）设甲种离子所带电荷量为q1、质量为m1，在磁场中做匀速圆周运动的半 径为R1，磁场的磁感应强度大小为B，由动能定理有
由几何关系知2R1＝l ③
（2）甲、乙两种离子的比荷之比.
答案：（2）1∶4
解析：（2）设乙种离子所带电荷量为q2、质量为m2，射入磁场的速度为v2，在磁场 中做匀速圆周运动的半径为R2.同理有
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课时作业（四）
[基础训练]
B. 图乙是磁流体发电机结构示意图，由图可以判
断出A极板是发电机的正极
C. 图丙是质谱仪结构示意图，打在底片上的位置越靠近狭缝S3说明粒子的比荷越大
D. 图丁是回旋加速器示意图，要使粒子飞出加速器时的动能增大，可仅增加电压U
C
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A. 四种离子带正电，射向D1的是a离子
B. 四种离子带负电，射向D1的是c离子
C. 四种离子带正电，射向D2的是d离子
D. 四种离子带负电，射向D2的是b离子
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A. 增大匀强电场间的加速电压
B. 增大磁场的磁感应强度
C. 减小狭缝间的距离
D. 增大D形金属盒的半径
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A. 质谱仪是分析同位素的重要工具
B. 速度选择器中的磁场方向垂直纸面向内
D. 粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小
AC
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A. 粒子从电场中获得能量
B. 粒子获得最大速度与回旋加速器半径有关
C. 粒子获得最大速度与回旋加速器内的电场有关
D. 回旋加速器中的电场和磁场交替对带电粒子做功
AB
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C
D. 若a、b是两种同位素的原子核，从底片上获知a、b在磁场 中运动轨迹的直径之比是1.08∶1，则a、b的质量之比为1.08∶1
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A. 粒子带负电
B. 速度选择器中匀强磁场的方向垂直纸面向外
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A. 如果只增大交变电压U，质子在加速器中运行时间将变短
B. 如果只增大交变电压U，质子的最大动能会变大
C. 质子的最大动能跟磁感应强度B成正比
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[能力提升]
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A. 5∶4 B. 4∶5
C. 25∶16 D. 16∶25
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11. 如图所示，速度选择器两板间电压为U、相距为d，板间有垂直纸面向里、磁感应 强度为B0的匀强磁场；在紧靠速度选择器右侧的圆形区域内，分布着垂直于纸面向外 的匀强磁场，磁感应强度B未知，圆形磁场区域半径为R. 一质量为m、电荷量为q的 带正电的粒子在速度选择器中做直线运动，从M点沿圆形磁场半径方向进入磁场，然 后从N点射出，O为圆心，∠MON＝120°，粒子重力可忽略不计.求：
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（1）粒子在速度选择器中运动的速度大小；
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（2）圆形磁场区域的磁感应强度B的大小；
解析：（2）粒子在磁场中做匀速圆周运动，轨迹如图所示：
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（3）粒子在圆形磁场区域的运动时间.
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12. 质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，其构造原理如图所 示，离子源S产生质量为m、电荷量为q、初速度为0的某种正离子，离子经过电压U加 速后形成离子流，然后从S1处垂直于磁场进入矩形ABCD区域内的匀强磁场中，运动 半周到达记录它的照相底片上的P点，已知P与S1的距离为x，离子形成的等效电流为 I. 求：
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（1）磁场的磁感应强度；
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（2）在时间t内到达照相底片P上的离子个数.
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