【新教材】2021-2022學(xué)年高中物理人教版選擇性必修第二冊(cè)課件：第一章-4

1、4.質(zhì)譜儀與回旋加速器第一章2021內(nèi)容索引0102課前篇 自主預(yù)習(xí)課堂篇 探究學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)目標(biāo)思維導(dǎo)圖1.了解帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)及其應(yīng)用。(科學(xué)思維)2.了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的工作原理。(科學(xué)思維)課前篇 自主預(yù)習(xí)必備知識(shí)一、質(zhì)譜儀1.組成由粒子源容器、加速電場(chǎng)、偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和底片組成。2.用途質(zhì)譜儀最初是由湯姆孫的學(xué)生阿斯頓設(shè)計(jì)的。他用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了氖-20和氖-22,證實(shí)了同位素的存在。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。二、回旋加速器1.為什么要設(shè)計(jì)多級(jí)加速器?有什么缺點(diǎn)?答案 由動(dòng)能定理得:qU= mv2,可見(jiàn)電場(chǎng)電壓越高,粒子離開電場(chǎng)后的能量越高。由于技術(shù)條件的限制,

2、兩極電壓不可能無(wú)限提高,因此常常采用多級(jí)加速的辦法。在多級(jí)加速器中粒子做直線運(yùn)動(dòng),加速裝置要很長(zhǎng)很長(zhǎng),占用的空間范圍很大,在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制。2.參照教材回旋加速器的原理圖,簡(jiǎn)述回旋加速器的組成。答案 兩個(gè)中空的半圓金屬盒、兩盒間有電勢(shì)差U,兩個(gè)半圓盒處于與盒面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。想一想回旋加速器中磁場(chǎng)和電場(chǎng)分別起什么作用?對(duì)交流電源的周期有什么要求?帶電粒子獲得的最大動(dòng)能由哪些因素決定?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。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。自我檢測(cè)1.判斷正誤,判斷結(jié)果為錯(cuò)誤的小題請(qǐng)說(shuō)明原因。(1)利用質(zhì)譜儀可

3、以測(cè)定帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素。()解析 利用質(zhì)譜儀可以測(cè)定帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素。答案 (2)當(dāng)交變電壓的周期等于帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期時(shí),回旋加速器中的粒子才能被加速。()解析 粒子被加速后,進(jìn)入磁場(chǎng),經(jīng)過(guò)1個(gè)半圓的時(shí)間,再次進(jìn)入電場(chǎng)被加速,再次進(jìn)入磁場(chǎng),經(jīng)過(guò)1個(gè)半圓被加速;即交變電場(chǎng)或交變電壓的周期等于帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期。答案 (3)回旋加速器能把粒子加速到光速。()解析 回旋加速器加速的帶電粒子,能量達(dá)到2530 MeV后,就很難再加速了。按照狹義相對(duì)論,粒子的質(zhì)量隨著速度的增加而增大,而質(zhì)量的變化會(huì)導(dǎo)致其回轉(zhuǎn)周期的變化,交變電場(chǎng)的頻率不再跟粒子運(yùn)動(dòng)頻率一致,這樣就破

4、壞了加速器的工作條件,進(jìn)一步提高粒子的速率就不可能了,所以回旋加速器不能把粒子加速到光速。答案 答案 2.(多選)質(zhì)譜儀的構(gòu)造原理如圖所示,粒子從粒子源S出來(lái)時(shí)的速度很小,可以看作初速度為零,粒子經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速后進(jìn)入有界的垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域,并沿著半圓周運(yùn)動(dòng)而達(dá)到照相底片上的P點(diǎn),測(cè)得P點(diǎn)到入口的距離為x,則以下說(shuō)法正確的是()A.粒子一定帶正電B.粒子一定帶負(fù)電C.x越大,則粒子的質(zhì)量與電荷量之比一定越大D.x越大,則粒子的質(zhì)量與電荷量之比一定越小答案 AC 課堂篇 探究學(xué)習(xí)探究一質(zhì)譜儀情境探究如圖為質(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

5、B。則粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度是多大?打在底片上的位置到S3的距離多大?知識(shí)歸納1.質(zhì)譜儀中帶電粒子運(yùn)動(dòng)分析 2.質(zhì)譜儀區(qū)分同位素 實(shí)例引導(dǎo)例1 如圖所示為質(zhì)譜儀的原理圖。利用這種質(zhì)譜儀可以對(duì)氫元素進(jìn)行測(cè)量。氫元素的各種同位素,從容器A下方的小孔S1進(jìn)入加速電壓為U的加速電場(chǎng),可以認(rèn)為從容器出來(lái)的粒子初速度為零。粒子被加速后從小孔S2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。關(guān)于氫的三種同位素進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)速率的排列順序和三條譜線的排列順序,下列說(shuō)法中正確的是()A.進(jìn)磁場(chǎng)時(shí)速率從大到小的排列順序是氕、氘、氚B.進(jìn)磁場(chǎng)時(shí)速率從大到小的排列順序是氚、氘、氕C.a、b、

6、c三條譜線的排列順序是氕、氘、氚D.a、b、c三條譜線的排列順序是氘、氚、氕答案 A 變式訓(xùn)練 1(多選)如圖是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖,帶電粒子被加速電場(chǎng)加速后,進(jìn)入速度選擇器。速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為B和E。平板S上有可讓粒子通過(guò)的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2。平板S下方有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。下列表述正確的是()A.質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具B.速度選擇器中的磁場(chǎng)方向垂直紙面向外D.粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P,粒子的比荷越小 答案 ABC 探究二回旋加速器情境探究下圖是回旋加速器的原理圖,已知D形盒的半徑為R,勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)

7、強(qiáng)度為B,交流電源的周期為T,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,請(qǐng)思考:(1)回旋加速器中磁場(chǎng)和電場(chǎng)分別起什么作用?質(zhì)子每次經(jīng)過(guò)狹縫時(shí),動(dòng)能的增加量是多少?(2)對(duì)交流電源的周期有什么要求?(3)帶電粒子獲得的最大動(dòng)能由哪些因素決定?要點(diǎn)提示 (1)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。動(dòng)能的增加量為qU。(2)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。(3)粒子的最大動(dòng)能決定于磁感應(yīng)強(qiáng)度B和D形盒的半徑R。當(dāng)帶電粒子速知識(shí)歸納回旋加速器 1.粒子被加速的條件交流電源的周期等于粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期。 粒子到狹縫總被加速 2.粒子最終的能量 3.

8、提高粒子的最終能量的措施 4.粒子被加速次數(shù)的計(jì)算 5.粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間 要點(diǎn)筆記 粒子最終獲得的動(dòng)能與加速電壓U無(wú)關(guān),加速電壓U的大小影響粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和被加速的次數(shù)。實(shí)例引導(dǎo)例2 (多選)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。設(shè)質(zhì)子的質(zhì)量為m、電荷量為q,則下列說(shuō)法正確的是()B.質(zhì)子被加速后的最大速度隨B、R的增大而增大C.質(zhì)子被加速后的最大速度隨加速電壓的增大而增大D.只要R足夠大,質(zhì)子的速度可以被加速到任意值答案 AB 變式訓(xùn)練 2(多選)如圖所示,回旋加速器是用來(lái)加

9、速帶電粒子使它獲得很大動(dòng)能的裝置,其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒,置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,兩盒分別與高頻電源相連。下列說(shuō)法正確的有()A.粒子被加速后的最大速度隨磁感應(yīng)強(qiáng)度和D形盒的半徑的增大而增大B.粒子被加速后的最大動(dòng)能隨高頻電源的加速電壓的增大而增大C.高頻電源頻率由粒子的質(zhì)量、電荷量和磁感應(yīng)強(qiáng)度決定D.粒子從磁場(chǎng)中獲得能量答案 AC 隨堂檢測(cè)1.若速度相同的同一束粒子由左端射入質(zhì)譜儀后的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示,則下列相關(guān)說(shuō)法正確的是()A.該束帶電粒子帶負(fù)電B.速度選擇器的P1極板帶負(fù)電C.在磁場(chǎng)B2中運(yùn)動(dòng)半徑越大的粒子,比荷 越小D.在磁場(chǎng)B2中運(yùn)動(dòng)半徑越大的粒子,質(zhì)量越大解析 帶電粒子在磁場(chǎng)中向下偏

10、轉(zhuǎn),磁場(chǎng)的方向垂直紙面向外,根據(jù)左手定則知,該粒子帶正電,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤。在平行金屬板間,根據(jù)左手定則知,帶電粒子所受的洛倫茲力方向豎直向上,則電場(chǎng)力的方向豎直向下,知電場(chǎng)強(qiáng)度的方向豎直向下,所以速度選擇器的P1極板帶正電,故選項(xiàng)B錯(cuò)誤。進(jìn)入磁場(chǎng)B2中的粒子速度是固定的,答案 C 2.(多選)回旋加速器原理如圖所示,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.粒子由加速器的中心附近進(jìn)入加速器B.粒子由加速器的邊緣進(jìn)入加速器C.粒子從磁場(chǎng)中獲得能量D.粒子從電場(chǎng)中獲得能量解析 粒子由加速器的中心附近進(jìn)入加速器,從電場(chǎng)中獲取能量,最后從加速器邊緣離開加速器,選項(xiàng)A、D正確。

11、答案 AD3.(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)造原理如圖所示,離子源S產(chǎn)生的各種不同正離子束(初速度可看為零),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上的位置到入口處S1的距離為x,可以判斷()A.若離子束是同位素,則x越大,離子質(zhì)量越大B.若離子束是同位素,則x越大,離子質(zhì)量越小C.只要x相同,則離子質(zhì)量一定相同D.只要x相同,則離子的比荷一定相同答案 AD 4.(多選)回旋加速器是加速帶電粒子的裝置,其核心部分是分別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