1.4 速度选择器、磁流体发电机、质谱仪、回旋加速器 学案 -2022-2023学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

带电粒子在电场、磁场的运动应用 速度选择器、磁流体发电机、质谱仪、回旋加速器 一、速度选择器 例1．如图所示的平行板器件中．电场强度 E 和磁感应强度 B 相互垂直，具有不同水平速度的带电粒子从 P 孔射入后发生偏转的情况不同。利用这种装置能把具有某一特定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器。 现有一束带正电粒子（电量为q，质量为m）从P孔进入，要使其能从Q孔离开，粒子的速度应满足怎样的条件？ 如果是一束带负电的粒子，从P孔进入，要使其能从Q孔离开，粒子的速度应满足怎样的条件？ 如果让粒子从Q孔进入，能否从P孔离开？ 练习1．在图中实线框所围的区域内同时存在匀强磁场和匀强电场．一负离子（不计重力）恰好能沿直线MN通过这一区域．则匀强磁场和匀强电场的方向不可能为下列哪种情况（ ） ( M N )A、匀强磁场和匀强电场的方向都水平向右 B、匀强磁场方向竖直向上，匀强电场方向垂直于纸面向里 C、匀强磁场方向垂直于纸面向里，匀强电场方向竖直向下 D、匀强磁场方向垂直于纸面向外，匀强电场方向竖直向下 二、磁流体发电机 例2．磁流体发电是一项新兴技术，它可以把物体的内能直接转化为电能，如图是它的示意图．平行金属板A、B之间有一个很强的磁场，将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子）喷入磁场，A、B两板间便产生电压．如果把A、B和用电器连接，A、B就是一个直流电源的两个电极．设A、B两板间距为d，磁感应强度为B，等离子体以速度v沿垂直于磁场的方向射入A、B两板之间，则下列说法正确的是（　　） A．A是直流电源的正极 B．B是直流电源的正极 C．电源的电动势为Bdv D．电源的电动势为qvB 练习2．磁流体发电是一项新兴技术。如图所示，平行金属板之间有一个很强的磁场，将一束含有大量正、负带电粒子的等离子体，沿图中所示方向喷入磁场。图中虚线框部分相当于发电机。把两个极板与用电器相连，下列说法不正确的是（　　） A．用电器中的电流方向从A到B B．若只增大带电粒子电荷量，发电机的电动势增大 C．若只增强磁场，发电机的电动势增大 D．若只增大喷入粒子的速度，发电机的电动势增大 三、质谱仪: 例3．图1是测量带电粒子质量的仪器工作原理示意图。设法使某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器A中，使它受到电子束轰击，失去一个电子变成正一价的离子。离子从狭缝s1以很小的速度进入电压为U的加速电场区（初速不计），加速后，再通过狭缝s2、s3射入磁感应强度为B的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQ。最后，离子打到感光片上，形成垂直于纸面而且平行于狭缝s3的细线。若测得细线到狭缝s3的距离为d。试求离子的质量m的表达式。 练习3．如图带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2，平板S下方有强度为B0的匀强磁场。下列表述不正确的是（ ） A．质谱仪是分析同位素的重要工具 B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小 四、回旋加速器 注意： 1、电场作用：给带电粒子 磁场作用：使带电粒子发生 加速条件：交流电的周期和带电粒子在磁场中的圆周运动的周期 。 2、粒子每经过一个周期，被电场加速 次 3、将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接起来是 运动。 4、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次 5、对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半径是相同的，等于D形盒半径。 例4．在高能物理研究中，粒子回旋加速器起着重要作用，如图甲为它的示意图。它由两个铝制D型金属扁盒组成，两个D形盒正中间开有一条窄缝。两个D型盒处在匀强磁场中并接有高频交变电压。图乙为俯视图，在D型盒上半面中心S处有一正离子源，它发出的正离子，经狭缝电压加速后，进入D型盒中。在磁场力的作用下运动半周，再经狭缝电压加速。如此周而复始，最后到达D型盒的边缘，获得最大速度，由导出装置导出。已知正离子的电荷量为q，质量为m，加速时电极间电压大小为U，磁场的磁感应强度为B，D型盒的半径为R。每次加速的时间很短，可以忽略不计。正离子从离子源出发时的初速度为零。 （1）为了使正离子每经过窄缝都被加速，求交变电压的周期； （2）求离子能获得的最大速度； （3）离子被加速的次数 （4）离子在磁场中运动的时间 （5）求离子第1次加速后与第n次加速后的轨道半径之比。 （6）若考虑加速时间，求离子在电场中运动的时间 练习4．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