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课题 第 4 节： 质谱仪与回旋加速器
课型 新授课、习题课 课时 2 课时
学习 目标 1.了解质谱仪与回旋加速器的工作原理。 2.经历质谱仪工作原理的推理过程，体会逻辑推理的思维方法。了解回 放加速器面临的技术难题， 体会科学与技术之间的 相互影响。
学习 重点 质谱仪与回旋加速器的工作原理
学习 难点 带电粒子在电场中加速与在磁场中做圆周运动相结合，综合分析能力。
教学内容及教师活动设计 （含情景设计、问题设计、学生活动设计等内容） 教师个人复备
1．质谱仪 下图为质谱仪原理示意图。设粒子质量为 m、 电荷量为 q,加速电场电压为 U,偏转磁场的磁感应 强度为 B,粒子从容器 A 下方的小孔 S1 飘入加速电 场,其初速度几乎为 0。 (1)粒子进入磁场时速度是多大 (2)打在底片上的位置到 S3 的距离多大 (
1
2
m
2
v
) (
由以上两式可得：
r
＝
，
m
＝
，
＝
)小结： ①加速电场： qU＝2 mv；②偏转磁场：qvB＝ r ，l＝2r； 例题 1．质谱仪是一种测定带电粒子质量或分析同位素的重要设备,它的构 造原理图如图所示。离子源 S 产生的各种不同正离子束 (速度可视为零),经 MN 间的加速电压 U 加速后从小孔 S1垂直于磁感线进入匀强磁场,运动半周后到达照相底 片上的 P 点。设 P 到 S1 的距离为 x,则( ) A.若离子束是同位素,则 x 越大对应的离子质量越 小 B.若离子束是同位素,则 x 越大对应的离子质量越 大 C.只要 x 相同,对应的离子质量一定相同 D.只要 x 相同,对应的离子的电荷量一定相等 答案:B
2．回旋加速器 回旋加速器两 D 形盒之间有窄缝,中心附近放置粒子源(如质子、氘核或α 粒子源),D 形盒间接上交流电源,在狭缝里形成一个交变电场。 D 形盒上有垂直 盒面的匀强磁场,如图所示。
(1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用 (2)对交流电源的周期有什么要求 (3)带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定 小结：1．加速条件： T电场 ＝T回旋 ＝。2．磁场约束偏转： qvB＝ v＝ 3．带电粒子的最大速度 vmax ＝，rD为 D形盒的半径。粒子的最大速度 vmax 与 加速电压 U无关。 例题 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,高频交变电流频率为 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 答案:AB 3、速度选择器 原理：如右图所示，粒子所受重力可忽略不计， 运动方向相同而速率不同的粒 子束射入相互正交的匀强电场和匀强磁场所组成的场区中， 若粒子运动轨迹不 发生偏折，必须满足平衡条件：qBv＝qE，故 v＝ E /B，这样就把满足 v = E /B 的粒子选择出来了。
例题 3．课本 12 页， 第 3 题 4.磁流体发电机 原理： 将一束等离子体（含有大量带正负电 荷的微粒， 整体呈电中性）喷射入磁场， 高速射 入的离子在洛伦兹力的作用下向 A、B 两板聚集， 使两板间产生电势差，直至 A、B 之间的电势差 大到后面的微粒不再聚集到板上，因此 AB 间会 形成稳定的电压。 例题 4．课本 12 页， 第 4 题
第二课时：组合场 叠加场问题 1.带电粒子在组合场中的运动 带电粒子在电场、磁场组合场中的运动是指粒子从电场到磁场或从磁场到电场
的运动。
例题 1． 平面直角坐标系 xOy 中,第Ⅰ象限存在垂直于平面向里的匀强磁场,第 Ⅲ象限存在沿 y 轴负方向的匀强电场, 如图所示。一带负电的粒子从电场中的 Q 点以速度 v0 沿 x 轴正方向开始运动。 Q 点到y轴的距离为到x轴距离的2倍。 粒子从坐标原点 O 离开电场进入磁场, 最终从 x轴上的P 点射出磁场,P 点到 y 轴距离与 Q 点到 y 轴距离相等。不计粒 子重力。 (1)求粒子到达 O 点时速度的大小和方 向; (2)求电场强度和磁感应强度的大小之比。 答案:(1)√2v0 方向与 x 轴正方向成 45 °角斜向上 (2) 2.带电粒子在叠加场中的运动 叠加场就是磁场、重力场以及电场同时存在于一个大区域内,其中的三场或者任 意两场处于并列存在状态. 带电粒子在叠加场中的运动一般有两种情况: (1)直线运动 :如果带电粒子在叠加场中做直线运动,一定是做匀速直线运动,合 力为零。 问：叠加场中可以做加速或减速直线运动吗？ 不可以！ (2) 圆周运动 :如果带电粒子在叠加场中做圆周运动,一定是做匀速圆周运动, 重力和电场力的合力为零,洛伦兹力提供向心力。
例题 2．如图所示,空间中的匀强电场水平向右, 匀强磁场垂直于纸面向里,一带电微粒沿着直 线从 M 运动到 N,以下说法正确的是( ) A.带电微粒可能带负电 B.运动过程中带电微粒的动能保持不变 C.运动过程中带电微粒的电势能增加 D.运动过程中带电微粒的机械能守恒 答案:B
例题 3．已知质量为 m 的带电液滴,以速度 v 射入互相垂直的匀强电场 E 和匀强 磁场 B 中,液滴在此空间刚好能在竖直平面内做匀速圆周运动,如图所示。
(1)液滴在空间受到几个力的作用 (2)液滴所带电荷量及电性如何 (3)液滴做匀速圆周运动的半径为多大
答案:(1)√2v0 方向与 x 轴正方向成 45 °角斜向上 (2)
作业设计 1.教材习题： 自完成 P.20 练习与应用 1-4 题 2.教辅书： 复习《优化设计》大本 1.4，完成随堂练习；完成《优化 设计》小本 1.4 课后训练。
教学反思

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