資源簡介

2022-2023學年人教版（2019）選擇性必修第二冊
1.4質譜儀與回旋加速器 課前導學案（含答案）
基礎知識導學
一、質譜儀
1.定義：質譜儀是測量帶電粒子的質量和分析同位素的重要工具。
2.構造：①帶電粒子發射器；②加速電場(U）；③速度選擇器()；④ 偏轉磁場()；⑤照相底片。
（點撥：進入右側磁場中的粒子速度相同，電性相同。）
3.工作原理：設加速電壓為U，速度選擇器內電場強度為E，磁感應強度為，偏轉磁場磁感應強度為，有，v不全相同，只有的粒子才被選出進入偏轉磁場，根據牛頓第二定律得關系式，由上述式子可得出需要研究的物理量，如粒子軌道半徑、粒子質量、比荷，。
二、回旋加速器
1.構造：回旋加速器的核心部件是兩個D形扁金屬盒，整個裝置放在真空容器中，如圖所示。
（1）兩個D形盒之間留有一個窄縫，在A處放有粒子源。
（2）兩個D形盒分別接在高頻交流電源的兩極上，在兩盒間的窄縫中形成一個方向周期性變化的交變電場。
2.原理：利用電場對帶電粒子的加速作用和磁場對運動的帶電粒子的偏轉作用來獲得高能粒子。
（1）磁場的作用：帶電粒子以某一速度垂直于磁場方向進人勻強磁場時，只在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，其中周期與速度和半徑無關，使帶電粒子每次進入D形盒中都能運動相等時間(半個周期)后，平行于電場方向進入電場中加速。
（2）交流電壓：為了保證每次帶電粒子經過狹縫時均被加速，使其能量不斷提高，要在狹縫處加一個周期與相同的交流電壓。
重難擴展問題
1.質譜儀是測量帶電粒子的______和分析同位素的重要工具。
2.回旋加速器原理：利用電場對帶電粒子的______作用和磁場對運動的帶電粒子的______作用來獲得高能粒子。
3.為了保證每次帶電粒子經過狹縫時均被加速，使其能量不斷提高，要在狹縫處加一個周期與______相同的交流電壓。
基礎小題試練
1.質譜儀是分離和檢測同位素的儀器，其示意圖如圖所示。從粒子源S出來時的粒子速度很小，可以看作初速度為零，粒子經過電場加速后從入口進入有界的垂直紙面向外的勻強磁場區域，并沿著半圓周運動而到達出口P.現使磁感應強度大小B加倍，要使粒子的運動軌跡不發生變化，仍沿著半圓周運動而到達出口P，應該使加速電場的電壓U變為原來的( )
A.12倍 B.10倍 C.8倍 D.4倍
2.回旋加速器中的磁感應強度為B,被加速粒子的電荷量為q,質量為m,用LC振蕩器作為帶電粒子加速的交流高頻電源,電感L和電容C的數值應該滿足的關系為( )
A. B. C. D.
3.如圖所示為某回旋加速器示意圖，利用回旋加速器對粒子進行加速，此時D形盒中的磁場的磁感應強度大小為B，D形盒縫隙間電場變化周期為T，加速電壓大小為U。忽略相對論效應和粒子在D形盒縫隙間的運動時間，下列說法中正確的是( )
A.粒子從磁場中獲得能量
B.保持和T不變，該回旋加速器可以加速質子
C.只增大加速電壓粒子在回旋加速器中運動的時間變短
D.只增大加速電壓粒子獲得的最大動能增大
答案以及解析
1.答案：D
解析：要使粒子在磁場中仍打在P點，則可知，粒子的運動半徑不變，則由可知；磁感應強度B加倍，而R不變，速度一定也可加倍；對加速過程可知，，解得：，故要使速度加倍，電勢差應變為原來的4倍，故D正確，ABC錯誤。
故選：D。
2.答案：D
解析：要使得回旋加速器正常工作，則粒子做圓周運動的周期等于振蕩電路的周期，即,即,故選D。
3.答案：C
解析：A、粒子在磁場中受到洛倫茲力，但洛倫茲力不做功，粒子從電場中獲得能量，故A錯誤；
B、根據加速電場的周期和粒子在磁場運動的周期相同，粒子在磁場中運動的周期，由于質子與粒子的比荷不同，所以不能加速質子，故B錯誤；
CD、根據，解得：，帶電粒子射出時的動能為，知最大動能與加速器的半徑、磁感線強度以及電荷的電量和質量有關，與加速電場無關，故D錯誤；設在電場中加速的次數為n，根據可得，U越大，n越小，在磁場中運動的時間越短，故C正確。
故選：C。

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