1.4质谱仪与回旋加速器 专题学案 -2022-2023学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

1.4质谱仪与回旋加速器—2022-2023人教版（2019）选择性必修第二册简案 一、质谱仪 1．质谱仪构造：主要构件有加速电场、偏转磁场和照相底片． 2．运动过程(如图1) 图1 (1)带电粒子经过电压为U的加速电场加速，根据动能定理有：qU= (2)垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，做匀速圆周运动，r= ，可得r= . 3．分析：从粒子打在底片D上的位置可以测出圆周的半径r，进而可以算出粒子的比荷，从而分析同位素。 二、回旋加速器 1．回旋加速器的构造：两个D形盒，两D形盒接交流电源，D形盒处于垂直于D形盒的匀强磁场中，如图2. 图2 2．工作原理 在粒子在电场中加速，在磁场中偏转。 3．注意事项 （1）交流电源的周期与粒子在磁场中的运动周期相等。 （2）最大动能 粒子最终出D形盒满足：qvB=m，解得v= 最大动能Ek== 结论：最大动能与加速电压U无关，与D形盒半径有关。 附：速度选择器 1、速度选择器的构造：平行极板间的匀强电场和匀强磁场，如图： 2、工作原理：粒子受洛伦兹力与电场力作用下，匀速穿过速度选择器。 3、注意：（1）调节电场和磁场，从而选择特定速度的粒子，由于qvB=qE，解得v= （2）只改变粒子的电性，粒子依然可以做匀速直线运动 附：磁流发电机 1、磁流发电机的构造：磁场，粒子束，如图： 2、工作原理：带正电的离子受洛伦兹力作用下，偏向某一极板，带负电的离子偏向另一极板，从而使极板聚集电荷，产生电压对外供电。 3、注意：（1）根据左手定则判断两极板的正负 （2）电荷处于平衡：Bqv＝q，解得：E=Bdv； 例题讲解 【例1】英国物理学家阿斯顿首次制成质谱仪，并用此对同位素进行了研究若速度相同的三个带电粒子（不计重力）由左端射入质谱仪的运动轨迹如图所示，则下列相关说法中正确的是（　　） A．三个带电粒子都带负电 B．速度选择器的P1极板带负电 C．三个粒子通过狭缝S0时速率等于 D．在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小 解：解：A、由图可知，带电粒子进入匀强磁场B2时向下偏转，所以粒子所受的洛伦兹力方向向下，根据左手定则判断得知该束粒子带正电，故A错误； B、在平行金属板中受到电场力和洛伦兹力两个作用而做匀速直线运动，由左手定则可知，洛伦兹力方向竖直向上，则电场力方向向下，粒子带正电，电场强度方向向下，所以速度选择器的P1极板带正电，故B错误； C、粒子能通过狭缝，电场力与洛伦兹力平衡，则有：qvB1=qE，解得v=，故C正确； D、粒子进入匀强磁场B2中受到洛伦兹力而做匀速圆周运动，由牛顿第二定律得，qvB2=m 解得r= 可见，由于v是一定的，B2不变，半径r越大，越小，故D正确。 故选：CD。 【例2】中国原子能科学研究院从1988年开始研究，经过艰苦卓绝的努力，于1996年自主研发出第一台回旋加速器。下列关于回旋加速器的工作原理，说法中正确的是（　　） A．粒子只会在电场中加速，因此电压越大，粒子的最大动能越大 B．粒子在磁场中只是改变方向，因此粒子的最大动能与磁感应强度无关 C．粒子的最大动能与D形盒的半径有关 D．若忽略电场中运动时间，且电压变化周期与粒子运动周期相等，粒子可以多次加速 解：A．根据qvB= 可知v= 则带电粒子离开回旋加速器时获得动能为Ek== 故最后的动能与磁场B有关，也与D形盒的半径有关，半径越大，最后的动能越大，与电场无关，故AB错误，C正确； D．若忽略电场中运动时间，电场的变化周期与离子在磁场中运动的周期相等，则每次粒子进入电场时都会在电场力作用下进行加速，即粒子可以多次加速，故D正确； 故选：CD。 【例3】如图所示的平行板器件中有方向相互垂直的匀强电场和匀强磁场。一带正电的粒子以某一速度从该装置的左端水平向右进入两板间后，恰好能做直线运动。忽略粒子重力的影响，则（　　） A．若只将粒子改为带负电，其将往上偏 B．若只增加粒子进入该装置的速度，其将往上偏 C．若只增加粒子的电荷量，其将往下偏 D．若粒子从右端水平进入，则仍沿直线水平飞出 解：粒子恰沿直线穿过，电场力和洛伦兹力必定平衡，即qv0B=qE，解得：v0=， A、只将粒子改为带负电，电场力和洛伦兹力都改变方向，仍然平衡，粒子做直线运动，故A错误； B、只增加粒子进入该装置的速度，粒子受到的电场力不变，洛伦兹力qvB变大，所以粒子向上偏转，故B正确； C、只增加粒子的电荷量，粒子受到的电场力和洛伦兹力都增加，仍然平衡，粒子做直线运动，故C错误； D、若粒子从右端水平进入，粒子受到的电场力向下，根据左手定则知，洛伦兹力向下，粒子将向下偏转，故D错误； 故选：B。 【例4】如图所示为磁流体发电机的原理图：将一束等离子体垂直于磁场方向喷入磁场，在磁场中有两块金属板A、B，这时