1.4 质谱仪与回旋加速器-【帮课堂】2023-2024学年高二物理同步学与练（人教版2019选择性必修第二册）

1.4 质谱仪与回旋加速器 模块一 知识掌握 知识点一　质谱仪 【情境导入】 如图所示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.则粒子进入磁场时的速度是多大？打在底片上的位置到S3的距离多大？ 【知识梳理】 1．构造：主要构件有加速 、偏转 和照相底片． 2．运动过程(如图) (1)加速：带电粒子经过电压为U的加速电场加速， ＝mv2.由此可得v＝. (2)偏转：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 ． 4．应用：可以测定带电粒子的质量和分析 ． 【重难诠释】 1．带电粒子运动分析 (1)加速电场加速：根据动能定理，qU＝mv2. (2)匀强磁场偏转：洛伦兹力提供向心力，qvB＝. (3)结论：r＝，测出半径r，可以算出粒子的比荷. 2．质谱仪区分同位素：由qU＝mv2和qvB＝m可求得r＝.同位素的电荷量q相同，质量m不同，在质谱仪照相底片上显示的位置就不同，故能据此区分同位素． [例题1] （2022秋•宿迁期末）应用质谱仪测定有机化合物分子结构的方法称为质谱法，先在离子化室A中将有机物气体分子碎裂成两种带正电的离子，离子从下方的小孔S飘入电势差为U的加速电场，其初速度几乎为0，然后经过S1沿着与磁场垂直的方向进入匀强磁场中，最后打到照相底片D上，形成a、b两条质谱线，则（　　） A．打到a处的离子的比荷小 B．两种离子进入磁场时的速度相同 C．匀强磁场的方向为垂直纸面向里 D．两种离子在磁场中的运动时间相等 [例题2] （多选）（2023春•宁河区期末）如图所示是某种磁式质量分析器的结构原理图，此分析器由以下几部分构成：粒子源、加速电场、磁分析器、收集板。一质量为m、电荷量为+q的带电粒子从粒子源无初速度的从S小孔飘入加速电场，经电压U加速后，从P点垂直边界进入磁分析器，最后垂直的打在收集板上的Q点，已知磁分析器中的偏转磁场是一个以O为圆心的扇形匀强磁场，磁感应强度的方向垂直纸面向外，OP＝l。若不计带电粒子的重力，收集板刚好和磁分析器的OB边界重合。则下列说法正确的是（　　） A．偏转磁场的磁感应强度的大小 B．偏转磁场的磁感应强度的大小 C．只增大加速电压U，粒子可能会落在收集板上的M点 D．只减小加速电压U，粒子可能会落在收集板上的M点 [例题3] （多选）（2023春•瑶海区期中）如图所示是质谱仪的工作原理示意图；带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内有相互正交的匀强磁场和匀强电场，磁场的磁感应强度为B、电场的电场强度为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，其中OP与速度选择器的极板平行。平板S下方有磁感应强度大小为B0的匀强磁场，方向垂直于纸面向外，通过狭缝P的粒子最终打在胶片A1A2上的D点，且PD＝L，不计带电粒子所受的重力及粒子间的相互作用力，下列表述正确的是（　　） A．速度选择器中的磁场方向垂直于纸面向里 B．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于 C．该粒子的比荷 D．若改变加速电场的电压U，粒子一定能通过狭缝P打在胶片上 [例题4] （2023春•海淀区校级期末）一台质谱仪的工作原理如图所示，电荷量为q、质量为m的正离子，从容器A下方的小孔飘入电压为U的加速电场，其初速度几乎为0。这些离子经加速后通过狭缝O沿着与磁场垂直的方向进入匀强磁场中，最后打在照相底片MN的中点P上。已知，放置底片的区域MN＝L，且OM＝L。 （1）求离子进入磁场时的速度v的大小； （2）求磁场的磁感应强度B的大小； （3）某次测量发现底片MN左侧包括P点在内的区域损坏，检测不到离子，但右侧区域仍能正常检测到离子。若要使原来打到底片中点的离子可以被检测，在不改变底片位置的情况下，分析说明可以采取哪些措施调节质谱仪。 知识点二　回旋加速器 【情境导入】 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，在狭缝中形成一个交变电场．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？对交流电源的周期有什么要求？在一个周期内加速几次？ (2)带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？如何提高粒子的最大动能？ 【知识梳理】 1.回旋加速器的构造：两个D形盒．两D形盒接 流电源，D形盒处于垂直于D形盒的匀强 中，如图． 2．工作原理 (1)电场的特点及作用 特点：两个D形盒之间的窄缝区域存在 的电场． 作用：带电粒子经过该区