4．質(zhì)譜儀與回旋加速器第一章安培力與洛倫茲力學(xué)習(xí)任務(wù)1．了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的工作原理。2．經(jīng)歷質(zhì)譜儀工作原理的推理過程，體會(huì)邏輯推理的思維方法。了解回旋加速器面臨的技術(shù)難題，體會(huì)科學(xué)與技術(shù)之間的相互影響。關(guān)鍵能力·情境探究達(dá)成1．構(gòu)造：如圖所示：粒子源、加速電場(chǎng)、偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和照相底片等構(gòu)成。知識(shí)點(diǎn)一質(zhì)譜儀

qUqvB半徑r質(zhì)量m

質(zhì)量3．質(zhì)譜儀的應(yīng)用可以測(cè)定帶電粒子的____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。質(zhì)量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。問題1

粒子在S1和S2之間做什么運(yùn)動(dòng)？電場(chǎng)力的功多大？提示：加速直線運(yùn)動(dòng)，W電＝qU。問題2

如何求進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)的速度，并求出大小。

問題3

打在底片上的位置到S3的距離多大？

1．質(zhì)譜儀：利用磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，由帶電粒子的電荷量及軌道半徑確定其質(zhì)量的儀器，叫作質(zhì)譜儀。

【典例1】

(多選)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√

[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．(多選)質(zhì)譜儀的原理如圖所示，虛線AD上方區(qū)域處在垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，C、D處有一熒光屏。同位素離子源產(chǎn)生a、b兩種電荷量相同的離子，無初速度進(jìn)入加速電場(chǎng)，經(jīng)同一電壓加速后，垂直進(jìn)入磁場(chǎng)，a離子恰好打在熒光屏C點(diǎn)，b離子恰好打在D點(diǎn)。離子重力不計(jì)。則(

)A．a(chǎn)離子質(zhì)量比b的大B．a(chǎn)離子質(zhì)量比b的小C．a(chǎn)離子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間比b的短D．a(chǎn)、b離子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等√√

1．工作原理如圖所示，D1和D2是兩個(gè)中空的半圓金屬盒，它們之間有一定的電勢(shì)差U。A處的粒子源產(chǎn)生的帶電粒子在兩盒之間被電場(chǎng)加速。D1、D2處于與盒面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中，粒子將在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。經(jīng)半個(gè)圓周(半個(gè)周期)后，當(dāng)粒子再次到達(dá)兩盒間的縫隙，控制兩盒間電勢(shì)差，使其恰好改變正負(fù)，于是粒子在盒縫間再次被加速，如果粒子每次通過盒間縫隙均能被加速，粒子速度就能夠增加到很大。知識(shí)點(diǎn)二回旋加速器

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，若用該回旋加速器來加速質(zhì)子，設(shè)質(zhì)子的質(zhì)量為m，電荷量為q。問題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。問題2

質(zhì)子每次經(jīng)過狹縫時(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。問題4

帶電粒子獲得的最大動(dòng)能由哪些因素決定？

√[思路點(diǎn)撥]

(1)粒子通過電場(chǎng)加速，但粒子最終獲得的速度與電場(chǎng)無關(guān)。(2)粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期等于交變電壓的周期。

√

學(xué)習(xí)效果·隨堂評(píng)估自測(cè)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243題號(hào)1√√

243題號(hào)1

243題號(hào)1√

243題號(hào)13．關(guān)于回旋加速器的說法正確的是(

)A．回旋加速器是通過多次電場(chǎng)加速使帶電粒子獲得高能量的B．回旋加速器是利用磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用使帶電粒子的速度增大的C．粒子在回旋加速器中不斷被加速，故在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)一周所用時(shí)間越來越小D．若加速電壓提高到4倍，其他條件不變，則粒子獲得的最大速度就提高到2倍243題號(hào)1√

243題號(hào)14．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。離子源源源不斷地產(chǎn)生離子，離子所帶電荷量為q。離子由靜止開始在加速器經(jīng)過恒定電壓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。24