人教版 (2019)选择性必修 第二册质谱仪与回旋加速器学案

这是一份人教版 (2019)选择性必修 第二册质谱仪与回旋加速器学案，共4页。学案主要包含了学习目标，学习过程，变式训练1，达标检测等内容，欢迎下载使用。
1.知道质谱仪的构造及工作原理，会确定粒子在磁场中运动的半径，会求粒子的比荷.
2.知道回旋加速器的构造及工作原理，知道交流电的周期与粒子在磁场中运动的周期之间的关系，知道决定粒子最大动能的因素．
3．会利用力和运动的知识分析带电粒子的运动情况。
【学习过程】
任务一：分析质谱仪的工作原理和用途（阅读教材P17页“质谱仪”标题下的内容，认真思考并回答以下问题）
问题1.（独立思考）
(1)加速：
带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得：______ ______.
(2)偏转：
带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力得：

求解粒子运动的的半径r=____________.
问题2.（独立思考）
质谱仪有什么用途？它可以把哪些不同的带电粒子分开？
小结（总结积累）：
【典例1】质谱仪是测量带电粒子质量和分析同位素的一种仪器，它的工作原理如图所示，带电粒子(不计重力，初速度为0)经同一电场加速后，垂直进入同一匀强磁场做匀速圆周运动，然后利用相关规律计算出带电粒子质量。虚线为某粒子运动轨迹，由图可知( )
A．此粒子带负电 B．下极板S2比上极板S1电势高
C．若只减小加速电压U，则半径r变大 D．若只减小入射粒子的质量，则半径r变小
【变式训练1】同一种带电粒子以不同的速度垂直磁感线射入匀强磁场中，其运动轨迹如图所示，则可知：
（1）带电粒子进入磁场的速度值有几个？
（2）这些速度的大小关系为？
（3）三束粒子从O点出发分别到达1、2、3点所用时间的大小关系是？
任务二：分析回旋加速器的工作原理和用途（阅读教材P18页“质谱仪”标题下的内容，认真思考并回答以下问题）
问题3：回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？
问题4：对交流电源的周期有什么要求？
问题5：加速器的速度能无限制加下去吗？带电粒子获得的最大速度为多少？带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？
问题6：加速n次后，粒子的速度为多少？粒子的轨道半径为多少？
问题7：求粒子在磁场中运动的时间？求粒子在磁场中加速的次数？
小结（总结积累）：
【典例2】(多选)回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示．设D形盒半径为R，若用回旋加速器加速质子时，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交流电频率为f，则下列说法正确的是( )
A．质子被加速后的最大速度不可能超过2πfR
B．质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关
C．只要R足够大，质子的速度可以被加速到任意值
D．不改变B和f，该回旋加速器也能用于加速α粒子
【典例3】如图所示为某回旋加速器示意图，利用回旋加速器对粒子进行加速，此时D形盒中的磁场的磁感应强度大小为B，D形盒缝隙间电场变化周期为T，加速电压大小为U。忽略相对论效应和粒子在D形盒缝隙间的运动时间，下列说法中正确的是( )
A.粒子从磁场中获得能量
B.保持和T不变，该回旋加速器可以加速质子
C.只增大加速电压粒子在回旋加速器中运动的时间变短
D.只增大加速电压粒子获得的最大动能增大
【达标检测】
1、现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为( )
A．11 B．12 C．121 D．144
2、如图2，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U加速后在纸面内水平向右运动，自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直．已知甲种离子射入磁场的速度大小为v1，并在磁场边界的N点射出；乙种离子在MN的中点射出；MN长为l.不计重力影响和离子间的相互作用．求：
(1)磁场的磁感应强度大小；
(2)甲、乙两种离子的比荷之比．
3、图甲是回旋加速器的工作原理图。D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电势差，A处的粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，所以粒子在半圆盒中做匀速圆周运动。若带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t的变化规律如图乙所示，不计带电粒子在电场中的加速时间，不考虑由相对论效应带来的影响，下列判断正确的是( )
A．在Ek­t图中应该有tn＋1－tn＝tn－tn－1
B．在Ek­t图中应该有tn＋1－tn