資源簡介

(共62張PPT)
第一章　安培力與洛倫茲力
4.質譜儀與回旋加速器
核心素養：
1. 了解質譜儀和回旋加速器的構造、原理及用途.（物理觀念）
2. 會利用圓周運動知識和功能關系分析質譜儀和回旋加速器的工作過程.（科學 思維）
3. 會利用相關規律解決質譜儀、回旋加速器問題.（科學態度與責任）
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研習任務一　質譜儀
合作　討論
如圖所示為質譜儀原理示意圖.設粒子質量為m、電荷量為q，加速電場電壓為U，偏 轉磁場的磁感應強度為B，粒子從容器A下方的小孔S1飄入加速電場，其初速度幾乎為 0.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？
教材　認知
1. 構造：主要構件有 、 和照相底片.
加速電場　
偏轉磁場　
要點　歸納
2. 應用：測量帶電粒子的質量和分析同位素.
研習　經典
[典例1]　如圖所示，兩平行金屬板間距為d，電勢差為U，板間電場可視為勻強電 場；金屬板下方有一磁感應強度為B的勻強磁場，帶電量為＋q、質量為m的粒子，由 靜止開始從正極板出發，經電場加速后射出，并進入磁場做勻速圓周運動，忽略重力 的影響，求：
（1）勻強電場場強E的大小；
（2）粒子從電場射出時速度v的大小；
（3）粒子在磁場中做勻速圓周運動的半徑R.
名師點評
　　質譜儀其實是帶電粒子在組合場中運動的一個應用，只要熟知帶電粒子在電場和 磁場中的運動規律就可以輕松解答這類問題.
對應　訓練
ABD
A. 粒子一定帶正電
D. 若一束離子從靜止開始經過上述過程都落在膠片上同一點，
則該束離子具有相同的比荷
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研習任務二　回旋加速器
合作　討論
勞倫斯設計并研制出了世界上第一臺回旋加速器，為進行人工可控核反應提供了強有 力的工具，大大促進了原子核、基本粒子的實驗研究.請思考：
（1）在回旋加速器中運動的帶電粒子的動能來自于電場，還是磁場？
提示：（1）帶電粒子的動能來自于電場.
（2）對交流電源的周期有什么要求？
提示：（2）交流電源的周期應等于帶電粒子在磁場中運動的周期.
（3）帶電粒子從回旋加速器中出來時的最大動能與哪些因素有關？
教材　認知
1. 構造：兩個D形盒.兩D形盒接交流電源，D形盒處于垂直于D形盒的勻強 中，如圖所示.
磁場　
2. 工作原理
（1）D1和D2之間有一定的電勢差U，A處的粒子源產生的帶電粒子，在兩盒之間被電 場 .
（2）兩個半圓盒處于與盒面垂直的勻強磁場中，粒子在磁場中做 運動.
（3）經過半個圓周，粒子再次到達兩盒間的縫隙，兩盒間的電勢差改變 ， 粒子再一次被加速.如此循環往復，粒子的速度就能夠增加到很大.
加速　
勻速圓周　
正負　
要點　歸納
1. 電場的特點及作用
（1）特點：周期性變化，其周期等于粒子在磁場中做圓周運動的周期.
（2）作用：對帶電粒子加速，粒子的動能增大，qU＝ΔEk.
2. 磁場的作用
3. 最大動能
4. 周期
研習　經典
[典例2]　用電源頻率為f的回旋加速器對電荷量為q、質量為m的氦核加速，使氦核的 能量達到Ek.則這個回旋加速器的半徑r為多大？
名師點評
　　交變電源的周期（頻率）與粒子運動的周期（頻率）相同，以及洛倫茲力提供粒 子做圓周運動的向心力，是解決回旋加速器問題的關鍵.
對應　訓練
A. 質子能量來源于磁場
B. 減小交變電壓U，則質子在加速器中運行時間將變長
BC
知識　構建
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課后提素養 深刻剖析 提升能力
基礎　題組
1. 判斷正誤.
√
√
√
×
A. 粒子由加速器的中心附近進入加速器
B. 粒子由加速器的邊緣進入加速器
C. 粒子從磁場中獲得能量
D. 粒子從電場中獲得能量
AD
解析：粒子從加速器的中間位置進入加速器，最后由加速器邊緣飛出，所以A對，B 錯.加速器中所加的磁場使粒子做勻速圓周運動，所加的電場由交流電提供，用來加 速粒子，交流電的周期與粒子做圓周運動的周期相同，故C錯，D對.
A. 兩種粒子都帶負電
B. 金屬板P1、P2間電場方向水平向左
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
中檔　題組
A. 回旋加速器是利用磁場對運動電荷的作用使帶電粒子的速度增大的
B. 回旋加速器使粒子獲得的最大動能與加速電壓成正比
C. 回旋加速器是通過多次電場加速使帶電粒子獲得高能量的
D. 帶電粒子在回旋加速器中不斷被加速，因而它做圓周運動一周所用的時間越來越短
C
A. 帶電粒子的最大速度與D形盒的尺寸無關
B. 帶電粒子每運動一周被加速一次
C. 帶電粒子每運動一周P1P2等于P2P3
D. 加速電場方向不需要做周期性的變化
BD
3. 如圖所示，從離子源產生的甲、乙兩種離子，由靜止經加速電壓U加速后在紙面內 水平向右運動，自M點垂直于磁場邊界射入勻強磁場，磁場方向垂直于紙面向里，磁 場左邊界豎直.已知甲種離子射入磁場的速度大小為v1，并在磁場邊界的N點射出；乙 種離子在MN的中點射出；MN長為l.不計重力影響和離子間的相互作用.求：
（1）磁場的磁感應強度大小；
解析：（1）設甲種離子所帶電荷量為q1、質量為m1，在磁場中做勻速圓周運動的半 徑為R1，磁場的磁感應強度大小為B，由動能定理有
由幾何關系知2R1＝l ③
（2）甲、乙兩種離子的比荷之比.
答案：（2）1∶4
解析：（2）設乙種離子所帶電荷量為q2、質量為m2，射入磁場的速度為v2，在磁場 中做勻速圓周運動的半徑為R2.同理有
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課時作業（四）
[基礎訓練]
B. 圖乙是磁流體發電機結構示意圖，由圖可以判
斷出A極板是發電機的正極
C. 圖丙是質譜儀結構示意圖，打在底片上的位置越靠近狹縫S3說明粒子的比荷越大
D. 圖丁是回旋加速器示意圖，要使粒子飛出加速器時的動能增大，可僅增加電壓U
C
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A. 四種離子帶正電，射向D1的是a離子
B. 四種離子帶負電，射向D1的是c離子
C. 四種離子帶正電，射向D2的是d離子
D. 四種離子帶負電，射向D2的是b離子
BD
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A. 增大勻強電場間的加速電壓
B. 增大磁場的磁感應強度
C. 減小狹縫間的距離
D. 增大D形金屬盒的半徑
BD
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A. 質譜儀是分析同位素的重要工具
B. 速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向內
D. 粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的比荷越小
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A. 粒子從電場中獲得能量
B. 粒子獲得最大速度與回旋加速器半徑有關
C. 粒子獲得最大速度與回旋加速器內的電場有關
D. 回旋加速器中的電場和磁場交替對帶電粒子做功
AB
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C
D. 若a、b是兩種同位素的原子核，從底片上獲知a、b在磁場 中運動軌跡的直徑之比是1.08∶1，則a、b的質量之比為1.08∶1
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A. 粒子帶負電
B. 速度選擇器中勻強磁場的方向垂直紙面向外
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A. 如果只增大交變電壓U，質子在加速器中運行時間將變短
B. 如果只增大交變電壓U，質子的最大動能會變大
C. 質子的最大動能跟磁感應強度B成正比
A
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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. 如圖所示，速度選擇器兩板間電壓為U、相距為d，板間有垂直紙面向里、磁感應 強度為B0的勻強磁場；在緊靠速度選擇器右側的圓形區域內，分布著垂直于紙面向外 的勻強磁場，磁感應強度B未知，圓形磁場區域半徑為R. 一質量為m、電荷量為q的 帶正電的粒子在速度選擇器中做直線運動，從M點沿圓形磁場半徑方向進入磁場，然 后從N點射出，O為圓心，∠MON＝120°，粒子重力可忽略不計.求：
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（1）粒子在速度選擇器中運動的速度大小；
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（2）圓形磁場區域的磁感應強度B的大小；
解析：（2）粒子在磁場中做勻速圓周運動，軌跡如圖所示：
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（3）粒子在圓形磁場區域的運動時間.
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12. 質譜儀是一種測定帶電粒子質量和分析同位素的重要工具，其構造原理如圖所 示，離子源S產生質量為m、電荷量為q、初速度為0的某種正離子，離子經過電壓U加 速后形成離子流，然后從S1處垂直于磁場進入矩形ABCD區域內的勻強磁場中，運動 半周到達記錄它的照相底片上的P點，已知P與S1的距離為x，離子形成的等效電流為 I. 求：
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（1）磁場的磁感應強度；
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（2）在時間t內到達照相底片P上的離子個數.
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