1.了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的構(gòu)造和應(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)
基礎(chǔ)落實·必備知識全過關(guān)
重難探究·能力素養(yǎng)全提升
學(xué)以致用·隨堂檢測全達標(biāo)
一、質(zhì)譜儀1.組成由電離室、　　　　電場、　　　　磁場和底片組成。?2.用途質(zhì)譜儀最初是由湯姆孫的學(xué)生　　　　　設(shè)計的。他用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了氖-20和氖-22,證實了　　　　　的存在。質(zhì)譜儀是測量帶電粒子的_______　　　　和分析同位素的重要工具。?
二、回旋加速器1.回旋加速器的工作原理:回旋加速器主要由兩個　　　　　　　組成,兩D形盒之間的　　　　使帶電粒子加速,垂直于D形盒的　　　　使帶電粒子回旋。?2.交流電源的周期:回旋加速器交流電源的周期等于帶電粒子在磁場中的運動周期。
電加速和磁偏轉(zhuǎn)交替進行
情境鏈接 在如圖所示的質(zhì)譜儀中:(1)粒子在S1區(qū)域做什么運動?(2)若粒子在S2區(qū)域做勻速直線運動,那么粒子所受電場力和洛倫茲力需滿足什么關(guān)系?
提示 (1)做初速度為零的勻加速直線運動。(2)電場力與洛倫茲力大小相等,方向相反。
易錯辨析(1)利用質(zhì)譜儀可以測定帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素。(　　)(2)質(zhì)譜儀工作時,在電場和磁場確定的情況下,同一帶電粒子在磁場中的運動半徑相同。(　　)(3)利用回旋加速器加速帶電粒子,要提高加速粒子的最終速度,應(yīng)盡可能增大磁感應(yīng)強度B和D形盒的半徑R。(　　)
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,加速電場電壓為U,偏轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)強度為B。則粒子進入磁場時的速度是多大?打在底片上的位置到S3的距離多大?
要點提示 帶電粒子經(jīng)加速電場U加速,然后經(jīng)過S3沿著與磁場垂直的方向進入勻強磁場,在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動,最后打到照相底片上,
2.質(zhì)譜儀中帶電粒子運動分析
3.質(zhì)譜儀區(qū)分同位素
【例1】 如圖所示為質(zhì)譜儀的原理圖。利用這種質(zhì)譜儀可以對氫元素進行測量。氫元素的各種同位素,從容器A下方的小孔S1進入加速電壓為U的加速電場,可以認為從容器出來的粒子初速度為零。粒子被加速后從小孔S2進入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場,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入磁場時速率的排列順序和三條譜線的排列順序,下列說法正確的是(　　)A.進磁場時速率從大到小的排列順序是氕、氘、氚B.進磁場時速率從大到小的排列順序是氚、氘、氕C.a、b、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
1.(2023上海松江一中期末)質(zhì)譜儀原理如圖所示。電荷量為q、質(zhì)量為m的離子從容器A下方的狹縫S1飄入(初速度視為零)電壓為U的加速電場區(qū),然后從S3沿著與磁場垂直的方向進入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場,最終到達照相底片D上,則離子在磁場中的軌道半徑為(　　)
回旋加速器的原理圖如圖所示,已知D形盒的半徑為R,勻強磁場的磁感應(yīng)強度為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。
(1)回旋加速器中磁場和電場分別起什么作用?質(zhì)子每次經(jīng)過狹縫時,動能的增加量是多少?
要點提示 磁場的作用是使帶電粒子回旋,電場的作用是使帶電粒子加速。動能的增加量為qU。
(2)對交流電源的周期有什么要求?
(3)帶電粒子獲得的最大動能由哪些因素決定?
要點提示 交流電源的周期應(yīng)等于帶電粒子在磁場中運動的周期。
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中運動的周期。2.粒子最終的能量
3.提高粒子的最終能量的措施
4.粒子被加速次數(shù)的計算
5.粒子在回旋加速器中運動的時間
【例2】 (多選)一個用于加速質(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形盒面的勻強磁場的磁感應(yīng)強度為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
2.(2023江蘇南通期末)回旋加速器的示意圖如圖所示,交流電壓u的大小和頻率保持不變,磁場的磁感應(yīng)強度大小B可以調(diào)節(jié)。用該裝置分別對質(zhì)子
A.1∶8B.1∶4C.1∶2D.1∶1
1.(質(zhì)譜儀)(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磁場中,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,無初速度進入加速電場,經(jīng)同一電壓加速后,垂直進入磁場,a離子恰好打在C點,b離子恰好打在D點。離子重力不計,則(　　)A.a離子質(zhì)量比b離子的大B.a離子質(zhì)量比b離子的小C.a離子在磁場中的運動時間比b離子的短D.a、b離子在磁場中的運動時間相等
2.(回旋加速器)(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D形金屬盒,兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的電場,使粒子在通過狹縫時都能得到加速,兩D形金屬盒處于垂直于盒面的勻強磁場中,如圖所示,要增大帶電粒子射出時的動能,下列說法正確的是(　　)A.增大勻強電場間的加速電壓B.增大磁場的磁感應(yīng)強度C.減小狹縫間的距離D.增大D形金屬盒的半徑
解析 當(dāng)帶電粒子的速度最大時,其運動半徑也最大,由洛倫茲力提供向心
3.(回旋加速器)(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兩極相連接的兩個D形金屬盒,兩盒間的狹縫中形成周期性變化的電場,使粒子在通過狹縫時都能得到加速,兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強磁場中,如圖所示。設(shè)D形盒半徑為R,若用回旋加速器加速質(zhì)子時,勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B,高頻交流電源的頻率為f,則下列說法正確的是(　　)A.質(zhì)子被加速后的最大速度不可能超過2πfRB.質(zhì)子被加速后的最大速度與加速電場的電壓大小無關(guān)C.只要R足夠大,質(zhì)子的速度可以被加速到任意值D.不改變B和f,該回旋加速器也能用于加速α粒子
速后的最大速度不可能超過2πfR,且與加速電場的電壓大小無關(guān),選項A、B正確;質(zhì)子的速度不可以被加速到任意值,達到一定速度后,按照狹義相對論,質(zhì)子的質(zhì)量會變大,從而導(dǎo)致運動周期變化,不再與電場變化周期同步,質(zhì)子就不能繼續(xù)加速了,選項C錯誤;由于α粒子在回旋加速器中運動的頻率是質(zhì)子的 ,所以不改變B和f,該回旋加速器不能用于加速α粒子,選項D錯誤。
4.(質(zhì)譜儀)質(zhì)譜儀是一種測定帶電粒子的質(zhì)量及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(速度可看為零),經(jīng)加速電場加速后垂直進入有界勻強磁場,到達記錄它的照相底片P上,設(shè)離子在P上的位置到入口處S1的距離為x。
(1)若離子質(zhì)量為m、電荷量為q,加速電壓為U,磁感應(yīng)強度大小為B,求x的大小。
(2)氫的三種同位素 H從離子源S出發(fā),到達照相底片的位置距入口處S1的距離之比x1∶x2∶x3為多少?

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4 質(zhì)譜儀與回旋加速器

版本： 人教版 (2019)

年級： 選擇性必修 第二冊

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