2023届高考物理二轮小专题复习学案： 专题57质谱仪和回旋加速器

专题57质谱仪和回旋加速器 【知识梳理】 一、质谱仪 质谱仪是用来测定比荷、鉴定同位素的装置。它主要是由静电加速器、速度选择器、偏转磁场组成，它的结构、原理如图所示。 1.在加速电场中，由动能定理 ，粒子出电场时，速度v= 。 2.在磁偏转场中，由牛顿第二定律： 。 3.粒子质量：m= 。 4.通过质谱仪可以求出该粒子的比荷（电荷量与质量之比）： 。 二．回旋加速器 1．回旋加速器的基本结构和原理 1．回旋加速器的结构：回旋加速器是用两个D形金属盒做外壳，两个D形金属盒分别充当 电源的两极，同时金属盒对带电粒子可以起 的作用，金属盒可以屏蔽外界电场，这样才能保证粒子在盒内只受磁场力作用而做 运动。 2．原理：带电粒子在 中被加速，从 中获得能量；磁场使粒子 。 3．带电粒子能够被持续加速的条件： 。 4．带电粒子在D形金属盒内运动的轨道半径是不等距分布的，每经过一次加速，动能增量相同，但速度增量不相同，所以运动半径的增加量也不相同，并且增加量越来越 。 5．带电粒子在回旋加速器内运动，决定其最终能量的因素。 由于D形盒的大小一定，所以不管粒子的质量及带电量如何，粒子最终从加速器内出来时应具有相同的旋转半径，由半径公式R= 得，速度v= ，所以出来时动能Ek= ；可见，粒子获得的动能与回旋加速器的直径有关，直径越大，粒子获得的能量 。 6．决定带电粒子在回旋加速器内运动时间长短的因素(忽略粒子在电场中运动的时间) (1)带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期T= 。 (2)粒子射出时获得的动能Ek= ；。 (3)设带电粒子在磁场中转动的圈数为，则加速次数为 ，设加速电压为U。因每加一次速获得的能量为qU，由动能定理 ，可得转动次数n =。 (4)所以带电粒子在回旋加速器内运动时间t= 。 【专题练习】 1．质谱仪的原理图如图所示，虚线上方区域处在垂直纸面向外的匀强磁场中，、间有一苂光屏。同位素离子源产生电荷量相同的离子、，、无初速度进入加速电场，经同一电压加速后，垂直进入磁场，恰好打在苂光屏点，恰好打在点。不计离子重力。则（　　） A．、带负电荷 B．的质量比的大 C．在磁场中的运动速度比的大 D．在磁场中的运动时间比的长 2．回旋加速器在核科学、核技术、核医学等高新科技领域得到了广泛应用，它利用磁场使带电粒子做回旋运动，在此过程中经交变电场反复加速的装置，其原理如图所示，则（　　） A．待加速的粒子从加速器的边缘进入加速器 B．D形盒采用金属材料制作可以起到静电屏蔽的作用 C．交变电场的周期与粒子在磁场中圆周运动的周期相等 D．要增大带电粒子射出时的动能，可以增大狭缝间的加速电压 3．如图所示为回旋加速器的示意图，用回旋加速器加速某带电粒子时，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交流电周期为T。设D形盒半径为R，不计粒子在两极板间运动的时间，则下列说法正确的是（　　） A．粒子在磁场中被加速 B．粒子在电场中被加速 C．被加速的粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期随半径的增大而增大 D．若只增大交流电源的电压U，则粒子的最大动能将增大 4．一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示，一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列相关说法中正确的是（　　） A．该束带电粒子带负电 B．速度选择器的极板带负电 C．沿虚线射入质谱仪的速度大小为 D．在磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小 5．如图所示，大量不同的带电粒子从左边容器中的小孔进入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为0，加速后经过小孔进入速度选择器，选择器中存在正交的匀强电场和匀强磁场，场强大小和磁感应强度大小分别为E和，粒子沿直线通过选择器，再垂直进入右边磁感应强度大小为的匀强磁场中，做匀速圆周运动打在底片上，则（　　） A．打在底片上不同位置的粒子是因为进入右边磁场的速度不同 B．打在底片上不同位置的粒子是因为粒子比荷不同 C．如果速度选择器平行板电量不变，仅使板间距离增大，能沿直线通过选择器的粒子速度变小 D．如果增大速度选择器中